Супрамолекулярные системы на основе водных растворов L-цистеина, его производных и солей серебра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Перевозова Татьяна Викторовна

• Перевозова Татьяна Викторовна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Перевозова Татьяна Викторовна

Список условных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГЕЛИ (СМГ). ПОЛУЧЕНИЕ, СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Основные принципы и особенности супрамолекулярной химии

1.2. Многообразие супрамолекулярных систем

1.3. СМГ среди многообразия гелей

1.4. Принципы процесса гелеобразования

1.5. Химическая природа и формирование СМГ на основе низкомолекулярных соединений

1.6. Методы исследования СМГ

1.7. Перспективы и области применения СМГ

1.8. Уникальность СМГ на основе водных растворов L-цистеина и

солей серебра

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Используемые химические вещества и реагенты

2.2. Методика получения образцов и объекты исследования

2.3. Физико-химические методы исследования

2.3.1. Изучение процессов самоорганизации и гелеобразования методом УФ спектроскопии

2.3.2. Изучение процессов самоорганизации методом ИК спектроскопии

2.3.3. Метод динамического светорассеяния (ДСР), как способ определения размера частиц, дзета-потенциала и проводимости

2.3.4. Метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ),

как способ визуализации структуры ЦСР и СМГ

2.3.5. Исследование морфологии ЦСР и СМГ методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) в совокупности

с методом элементного анализа

2.3.6. Исследование реологических свойств СМГ методом вибрационной вискозиметрии

2.3.7. Измерение кислотности ЦСР и СМГ методом рН-метрии

2.4. Антибактериальные испытания СМГ и водных растворов

на основе НАЦМ^Ш2

2.5. МТТ тест растворов СМГ и водных растворов на основе

НАЦМ^02

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ И ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ L-ЦИСТЕИНА И AgNO2

3.1. Установление концентрационного диапазона гелеобразования

в ЦСР

3.2. Кинетические исследования изменения вязкости ЦСР в процессе гелеобразования

3.3. Изучение процессов самоорганизации в ЦСР с помощью метода

ИК спектроскопии

3.4. Исследование механизма самоорганизации и гелеобразования

с помощью метода УФ спектроскопии

3.5. Изучение строения и свойств ЦСР методом ДСР, определение дзета-потенциала и электропроводности

3.6. Изменение величины рН в процессе самоорганизации и гелеобразования ЦСР

3.7. Морфология гидрогелей и характеристика элементного состава

3.8. Предполагаемый механизм гелеобразования в водных растворах

L-цистеина и AgNO2

Выводы к главе

ГЛАВА 4. ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ L-ЦИСТЕИНА И СОЛЕЙ СЕРЕБРА, А ТАКЖЕ БИОАКТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ И ГЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ НАЦ В СРАВНЕНИИ С L -ЦИСТЕИНОМ

4.1. Водные растворы на основе ^ацетил^-цистеина, производных L-цистеина и солей серебра

4.1.1. Исследование процессов самоорганизации в водных растворах НАЦ, МПК, ЦА и солей серебра с помощью метода

УФ спектроскопии

4.1.2. Изучение процессов самоорганизации в водных растворах НАЦ, МПК, ЦА и солей серебра с помощью методов ДСР, определение дзета-потенциала

4.1.3. Влияние величины pH на процессы самоорганизации водных растворов на основе производных L-цистеина и солей серебра

4.1.4. Визуализация структуры водных растворов и гидрогелей на основе производных L-цистеина и солей серебра с помощью методов электронной микроскопии

4.1.5. Механизм самоорганизации в растворах на основе производных L-цистеина и солей серебра

4.2. Биоактивные свойства водных растворов L-цистеина и

НАЦ с AgNO2

4.2.1 Антибактериальная активность водных растворов на основе L- цистеина, НАЦ и AgNO2

4.2.2. Цитотоксические свойства водных растворов L-цистеина и

НАЦ с AgNO2

Выводы к главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

Публикации автора по теме диссертации

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Список условных обозначений

ЦСР - цистеин-серебряный раствор;

СМГ - супрамолекулярный гидрогель;

НМГ - низкомолекулярный гелеобразователь;

НЧС - наночастицы серебра;

ЦИС - L-цистеин;

НАЦ - ^ацетил^-цистеин;

МПК - меркаптопропионовая кислота;

ЦА - цистеамин;

УФ - ультрафиолетовый;

ИК - инфракрасный;

ДСР - динамическое светорассеяние;

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия;

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия;

ЯМР - ядерный магнитный резонанс.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Супрамолекулярные системы на основе водных растворов L-цистеина, его производных и солей серебра»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В 1987 г. французский ученый Ж.-М. Лен получает Нобелевскую премию за разработку основ супрамолекулярной химии. Несколько позже вводится понятие супрамолекулы, то есть молекулярной цепи, связывание мономерных звеньев в которой осуществляется за счет нековалентных взаимодействий. По аналогии с супрамолекулярными полимерами в научный обиход входит термин супрамолекулярные гели (СМГ), которые относятся к физическим гелям, однако в отличии от макромолекулярных гелей в них узлы и сами цепи пространственной сетки построены с помощью слабых взаимодействий.

Молекулярная самосборка (самоорганизация) за счет слабых взаимодействий является одним из самых распространенных процессов в природе. Самосборка с участием малых молекул, например, в водной среде приводят к необычному явлению формирования гелей при низком содержании дисперсной фазы. Особый интерес с точки зрения пограничного расположения проблемы на стыке физической химии, биологии и медицины представляют гели на основе водных растворов серосодержащих аминокислот, ионов и наночастиц металлов (в частности Ag). К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по самосборке и гелеобразованию в супрамолекулярных системах. Однако число работ, посвященных изучению систем на основе низкомолекулярных соединений с низким содержанием дисперсной фазы, невелико, а суждения о механизме самоорганизации и гелеобразования противоречивы и недостаточно обоснованы. В целом, интерпретация механизма гелеобразования в таких системах до сих пор не получила надежной физико-химической основы.

В начале 2000-х годов на кафедре физической химии Тверского государственного университета удалось открыть новый тиксотропный СМГ на основе низкоконцентрированного водного раствора (~0.01%) простейшей аминокислоты L-цистеина (Ш-СН2-СН(КН2)-СООН) и нитрата серебра

(AgNO3) [1], который обладал высокими антибактериальными свойствами. Данная работа содержит в себе исследование фундаментальных основ процессов самоорганизации и гелеобразования в водных растворах производных L-цистеина (новые простейшие серосодержащие соединения) с участием солей серебра (AgNO2, AgNOз) - это аминокислота ^ацетил^-цистеин (НАЦ) Ш-СН2-га(ОН)-КН-СО-СН3, 3-меркаптопропионовая кислота (МПК) HS-CH2-СН2-СО(ОН), цистеамин (ЦА) ^^С^-С^^Н. Сравнительный анализ происходящих процессов в водных растворах разных аминокислот (L-цистеин и НАЦ), МПК и ЦА позволит сопоставить результаты для различных тиолсодержащих соединений и обосновать механизм процессов самоорганизации и гелеобразования. Выбранные в работе низкомолекулярные объекты исследования, в силу своей относительной простоты, являются удобными модельными системами для изучения процессов самоорганизации и гелеобразования. Использование МПК и ЦА в молекулах, которых отсутствуют СООН- или МН-группировки при наличии SH-групп, по сравнению с L-цистеином, позволит лучше понять механизм самоорганизации в водных растворах L-цистеина, НАЦ и солей серебра (цистеин-серебряный раствор - ЦСР). Применение комплекса современных физико-химических методов обеспечит полноту и глубину исследований протекающих процессов самоорганизации, а также строения и морфологии образующихся гидрогелей.

Хорошо известно, что AgNO2, по сравнению с AgNO3, является восстановителем, поэтому важно сравнить механизм молекулярной самосборки в рассматриваемых растворах с участием этих двух солей серебра.

К преимуществам получения растворов и гидрогелей на основе L-цистеина и его производных следует отнести природное происхождение исходных компонентов, а, следовательно, наличие таких свойств, как биосовместимость и биоразлагаемость.

Кроме того, в прикладном аспекте представляет интерес использование новых растворов и гелей для медицинского применения. Поэтому проведены исследования их антибактериальных и цитотоксических свойств.

Таким образом, получение новых супрамолекулярных гидрогелей на основе простейших серосодержащих аминокислот и солей серебра, а также изучение их строения и физико-химических свойств является актуальной задачей.

Степень разработанности темы диссертации. Анализ литературных данных показывает, что уже достаточно детально исследованы механизмы самоорганизации и гелеобразования в низкоконцентрированных (~0.01%) водных растворах L-цистеина и AgNO3. С использованием комплекса физико-химических методов и компьютерного моделирования установлено [1], что при смешивании водных растворов L-цистеина и AgNO3 идет образование цвиттер-ионов меркаптида серебра (МС). При незначительном избытке AgNO3 (1.25-1.28) по отношению к цистеину в условиях комнатной температуры и темноты происходит «созревание» раствора в течение 3-6 часов, а на молекулярном уровне формирование супрамолекулярных цепей из цвиттер-ионов МС за счет слабого донорно-акцепторного взаимодействия. Далее при введении в созревший ЦСР небольшого количества (~0.005%) соли-инициатора гелеобразования (например, Na2SO4) происходил быстрый переход раствора в состояние тиксотропного геля. ЦСР и СМГ на его основе из-за присутствия в системе L-цистеина и серебра в ионной форме имели хорошие ранозаживляющие и антибактериальные свойства.

Однако, вопрос о новых низкомолекулярных тиолсодержащих гелеобразователях и использовании других солей серебра для приготовления СМГ на основе низко концентрированных водных растворов недостаточно изучен. Кроме того, нет окончательной ясности в вопросе о том, какую роль играют различные функциональные группы молекулы L-цистеина ^Н, СООН и КН) в процессах самоорганизации и гелеобразования. В

практическом плане представляет интерес использование новых гелеобразующих растворов в медицине, фармации, косметологии и других областях.

Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение процессов самоорганизации и гелеобразования, происходящих в водных растворах на основе L-цистеина, N-ацетил-L-цистеина, МПК, ЦА и солей серебра с помощью комплекса физико-химических методов.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Установление возможности гелеобразования в водных растворах на основе L-цистеин/AgNO2, N-ацетил-L-цистеин/AgNO2, МПКМ^ЫО3 и ЦА^Ш3.

2. Определение влияния концентрации исходных компонентов на процессы самоорганизации и гелеобразования в водных растворах на основе L-цистеин/ AgNO2.

3. Экспериментальное изучение различий в процессах самоорганизации и гелеобразования в водных растворах на основе L-цистеин/AgNO2, N ацетил^-цистеинМ^ЫО2, МПКМ^ЫО3, ЦАМ^ЫО3 с помощью комплекса физико-химических методов.

4. Выяснение роли различных функциональных группировок молекулы L-цистеина в процессах самоорганизации и гелеобразования в ЦСР.

5. Исследование антибактериальных и цитотоксических свойств водных растворов на основе L-цистеина, N-ацетил-L-цистеина и солей серебра.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведены комплексные исследования процессов самоорганизации в новой гелеобразующей системе на основе водных растворах L-цистеина и AgNO2.

2. Впервые обнаружено, что формирование пространственной сетки геля в водных растворах L-цистеина и AgNO2 происходит с участием наночастиц серебра (НЧС). Предложен новый способ получения НЧС в ЦСР и СМГ на основе этих растворов и гелей.

3. Исследовано влияние наличия различных функциональных групп L-цистеина (тиольной, карбоксильной и аминогруппы) в его производных (НАЦ, МПК и ЦА) на возможность гелеобразования в водных растворах этих производных и солей серебра. Показано, что для процесса гелеобразования необходимо наличие всех трех функциональных групп. В то же время процесс самоорганизации с образованием супрамолекулярных цепей из молекул МС может происходить при отсутствии одной из функциональных групп в молекуле производных (карбоксильной или аминогруппы).

4. Предложен механизм гелеобразования в новых водных растворах L-цистеин/AgNO2, заключающийся в формировании молекул МС (в растворе цвиттер-ион), образовании супрамолекулярных цепей из молекул МС в процессе созревания раствора и последующем желировании супрамолекулярного раствора с участием или без НЧС.

5. Определены антибактериальные и цитотоксические свойства водных растворов на основе L-цистеина, N-ацетил-L-цистеина и солей серебра. Установлено, что растворы на основе L-цистеина и N-ацетил-L-цистеина с солями серебра проявляют высокую бактерицидную активность, а на основе L-цистеина и AgNO2 хорошие цитотоксические свойства относительно клеток карциномы молочной железы, что может найти в дальнейшем практическое применение.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Полученные результаты расширяют теоретические знания о процессах самоорганизации и гелеобразования, происходящих в супрамолекулярных системах. Поиск новых низкомолекулярных гелеобразователей и исследование процессов самоорганизации и

гелеобразования в водных растворах низкомолекулярных серосодержащих аминокислот и их производных позволил продвинуться в понимании этих процессов, а также определить влияние химической природы аминокислоты на способность раствора к гелеобразованию.

Проведенные исследования процессов самоорганизации в водных растворах L-цистеин/AgNO2 показали, что в этих растворах в условиях темноты происходит не только формирование пространственной сетки СМГ, но и синтез НЧС со стабильным размером от 10 до 50 нм. ЦСР и СМГ при использовании AgNO2 можно рассматривать, как среду для получения НЧС с перспективой их дальнейшего практического применения в качестве эффективных катализаторов, фоточувствительных элементов и биоактивных агентов.

Полученные в работе результаты открывают новые возможности использования СМГ на основе L-цистеина и AgNO2 в качестве противораковых и антимикробных препаратов, например, при разработке антисептического гель-спрея широкого спектра действия.

Методология и методы исследования. В экспериментальных исследованиях был применен комплекс современных физико-химических методов, таких как УФ и ИК спектроскопия, просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия (ПЭМ и СЭМ), динамическое светорассеяние (ДСР), вискозиметрия, рН-метрия, рентгеноспектральный электронно-зондовый анализ, антибактериальные испытания и МТТ-тест.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечена анализом литературных данных, последовательностью постановки исследовательских задач, комплексным использованием современных физико-химических методов регистрации и обработки экспериментальных данных, согласованностью результатов, полученных различными методами и согласованностью этих данных с результатами исследований других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В растворах и гелях на основе L-цистеина, его производных (НАЦ, ЦА и МПК) и солей серебра существенное влияние на процессы самосборки оказывают различные факторы: химическое строение и концентрация исходных компонентов, их молярное соотношение, рН среды, величина заряда на поверхности образующихся частиц в растворе. Изменение этих факторов сказывается на важных конечных характеристиках растворов и гелей: вязкость, стабильность, дисперсность, размер НЧС и биоактивные свойства.

2. Основными стадиями процесса самоорганизации, приводящими к процессу гелеобразования в водных растворах аминокислоты L-цистеин и соли серебра AgNO2 являются: 1) образование молекул МС (в растворе цвиттер-ион), 2) связывание между собой молекул МС за счет донорно-акцепторного взаимодействия между атомами серы и серебра с образованием супрамолекулярных цепочек и 3) формирование пространственной сетки СМГ без введения соли-инициатора гелеобразования, как результат связывания супрамолекулярных цепочек посредством водородных связей между группами -ОН и -СООН, где гидроксильная группа образована в результате реакции диазотирования. Отсутствие одной из функциональных групп в молекулах производных L-цистеина ЦА или МПК (СООН или NH) обрывает процесс самоорганизации на стадии созревания раствора: гели не образуются.

3. Процесс самоорганизации и гелеобразования в водном растворе L-цистеина и AgNO2 сопровождается формированием НЧС, которые встраиваются в пространственную сетку геля, образованную супрамолекулярными цепями из молекул МС. С ростом концентрации нитрита серебра НЧС выпадают в осадок.

4. Гидрогели и водные растворы на основе L-цистеин/AgNO2 и N ацетил-L-цистеин/AgNO2 обладают высокими бактерицидными свойствами,

14

при этом гели на основе L-цистеина и AgNO2 к тому же обладают высокими антираковыми свойствами, что может найти применение в медицине.

Личный вклад автора. Автором работы самостоятельно определены методы решения задач проведенных исследований, выполнены все основные экспериментальные работы, обработка и анализ полученных результатов. Постановка задач исследования и обсуждение результатов работы проведены совместно с научным руководителем. Соавторы совместных публикаций принимали участие в постановке экспериментальных задач, проведении ряда измерений и обсуждении результатов.

Благодарности. При проведении работ использовались ресурсы и оборудование ЦКП Тверского государственного университета, ЦКП УН/О «Электронная микроскопия исследования материалов» МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автором выражается искренняя благодарность и глубокое уважение своему научному руководителю, заведующему кафедрой физической химии, д.х.н., проф. П.М. Пахомову за многолетнее наставничество и поддержку при работе над диссертацией. Автор отдельно благодарит заведующую лабораторией спектроскопии ЦКП ТвГУ, к.х.н. Хижняк С.Д. и доцента кафедры физической химии, к.х.н Вишневецкого Д.В. за ценные советы, рекомендации и помощь при проведении экспериментальных исследований.

научному

Большая благодарность выражается Овчинникову М.М

сотруднику ТГМА, за помощь в выборе производных L-цистеина. Благодарность выражается Мехтиеву А.Р. (Научно-исследовательский институт биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича», Москва), Ивановой А.И. (Тверской государственный университет, Тверь) и Червинцу В.М. (Тверской медицинский государственный университет, Тверь) за помощь в проведении исследований на цитотоксичность, исследование морфологии образцов методом СЭМ и бактериологических испытаний образцов соответственно.

Апробация результатов. Исследования по теме диссертационной работы выполнялись при поддержке:

1. Гранта РФФИ (проект № 18-33-00146),

2. Минобрнауки РФ в рамках выполнения государственных работ в сфере научной деятельности (проекты №4.1325.2014/К и №4.5508.2017/БЧ),

3. Германо-российского междисциплинарного научного центра G-RISC (проект № C-2015b-1).

Основные результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на всероссийских и международных конференциях: «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (МГУ,

2015), Всероссийская научно-техническая конференция молодых учёных «Каргинские чтения» (Тверь, 2015, 2016, 2017, 2018, 2022), VIII International Symposium «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures» (Казань

2016), Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2015, 2016, 2017, 2018), Международная конференция «Ломоносов» (МГУ, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022), XIX Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2018), Международная научная конференция «Химическая термодинамика и кинетика» (Тверь, 2018), Baltic polymer symposium (Латвия,

2018), XV Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технологии неорганических материалов» молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, ИМЕТ РАН, 2018), International student conference "SCIENCE AND PROGRESS -2018" (Санкт- Петербург, 2018), XVI Международная конференция «Спектроскопия координационных соединений» (Кубань, 2019), XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург,

2019), конференция «Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и

медицине: фундаментальные проблемы и перспективы» (Казань, 2020). Список тезисов докладов приведен в конце диссертации.

Основное содержание работы опубликовано в 10 статьях в журналах, 7 из которых, входят в список рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК, 3 из них индексируются в базах данных WoS и Scopus. По материалам работы имеется патент РФ на изобретение. Полученные результаты докладывались автором на 14 Всероссийских и Международных конференциях по профилю выполнявшихся исследований. Список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов, списка литературы (включающего 199 наименований), а также списка опубликованных по теме диссертации работ. Работа содержит 160 страниц основного текста, включая 46 рисунков и 11 таблиц.

ГЛАВА 1. СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ГЕЛИ (СМГ). ПОЛУЧЕНИЕ, СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Основные принципы и особенности супрамолекулярной химии

Супрамолекулярная химия или так называемая надмолекулярная химия, одна из молодых и бурно развивающихся областей химии. Предметом её изучения является образование, структура и свойства частиц, которые формируются в результате избирательной ассоциации двух и более молекул или различных фрагментов одной и той же молекулы за счёт нековалентных взаимодействий. Для обозначения супрамолекулярных комплексов используются понятия, введенные Жан-Мари Леном - супермолекула (супрамолекула) и супрамолекулярный ансамбль [2-4].

Супермолекулы - это хорошо определённые олигомолекулярные образования, которые возникают за счёт межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов. Супрамолекулярным ансамблем называют полимолекулярные образования, возникающие за счёт межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов в соответствии с некоторой программой, работающей на основе принципов молекулярного распознавания. Такие полимолекулярные образования возникают в результате спонтанной ассоциации в специфическую фазу - мицеллу, плёнку, гель, кристалл и др.

В супермолекулах удерживание отдельных фрагментов происходит за счет нековалентных межмолекулярных взаимодействий: водородные связи, Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия, электростатические, дисперсионные и гидрофобные силы, образования металлокомплексов, п-стэкинг, инкапсуляции одной молекулы другими молекулами и др. (табл. 1.1).

Супрамолекулярная химия в целом предполагает какой-либо тип

нековалентного связывания или комплексообразования. В таком контексте

18

обычно рассматривают молекулу «хозяин», связывающую другую молекулу «гость» с образованием комплекса или супермолекулы [6].

Таблица 1. 1

Типы межмолекулярных взаимодействий и их энергии связи [5].

Тип нековалентного взаимодействия Энергия связи, кДж-моль-1

Ион-ионные взаимодействия 100-350

Ион-дипольные взаимодействия 50-200

Диполь-дипольные взаимодействия 5-50

Водородная связь 4-120

Катион-п-взаимодействия 5-80

п - п -Стэкинг-взаимодействия 0-50

Силы Ван-дер-Ваальса < 5

Соединения принято классифицировать в зависимости от силы взаимодействия между хозяином и гостем на комплексы и клатраты/кавитаты. В комплексах агрегат хозяин-гость связан преимущественно электростатическими силами, включая взаимодействия ион-диполь, диполь-диполь, водородные связи. Клатраты и кавитаты представляют собой структуры, удерживаемые менее специфическими, часто более слабыми взаимодействиями, например, гидрофобными и Ван-дер-Ваальсовыми.

Для образования устойчивой супрамолекулярной системы (комплексов, агрегатов, кластеров) из молекул необходимо выполнения несколько условий: чтобы между молекулами существовало взаимодействие, а у молекул, участвующих в образовании супрамолекулярной системы, была возможность перемещаться в пространстве. Последнее явление относят к процессу вращательной диффузии. Первое условие определяет структуру и стабильность супрамолекулярной системы, а второе - возможность создать

супрамолекулярную систему и динамику процессов образования такой системы. В отсутствии диффузии супрамолекулярные системы не образуются.

Образование супрамолекулярных систем возможно в газовой фазе, жидкости и на границе раздела фаз твердое тело - газ (жидкость), при наличии поверхностной диффузии. В твердом теле самоорганизация молекул с образованием супрамолекулярных систем возможна только в особых случаях: при наличии в твердом теле свободного объема или при пластической деформации твердого тела, когда молекулы твердого тела могут перемещаться и образовывать супрамолекулярные системы и даже наночастицы. Силы межмолекулярного взаимодействия «связывают» молекулы в супрамолекулярную систему и задают строение системы как целой структурной единицы. Как правило, супрамолекулярные системы являются «нежесткими» структурами, могут иметь много конформационных состояний с низкими барьерами переходов между ними. Изменение стереостроения супрамолекулярной системы может приводить к изменению ее спектроскопических и фотохимических характеристик. Динамическое поведение, а именно конформационные превращения супрамолекулярной системы зависит от температуры и фазового состояния вещества. Строение и свойства супрамолекулярных систем определяются химическим составом молекул и природой межмолекулярного взаимодействия между молекулами СМС.

Большую роль в образовании перечисленных структур играют гидрофобные эффекты и электростатические взаимодействия, так как многие биологические макромолекулы имеют электрические заряды, возникающие вследствие процессов взаимодействия функциональных групп биомолекул с водным окружением. Супермолекулы, которые образуются за счет электростатического связывания противоположно заряженных макромолекул, получили название полиэлектролитных комплексов [7, 8].

Образующиеся за счёт слабых взаимодействий супрамолекулярные структуры, вследствие наличия большого числа связывающих центров, могут быть очень устойчивыми. При определённых условиях: действие катализаторов, изменение рН среды, перепад давления и др., ансамбли способны обратимо диссоциировать, полностью или частично, на индивидуальные компоненты, способные к самостоятельному существованию. Силы притяжения, действующие между любой парой электрически нейтральных атомов или молекул, получили название силы Ван-дер-Ваальса. В простейшем случае они описывается двухчленным потенциалом Леннарда-Джонса, в рамках которого энергии взаимодействия между молекулами зависит от расстояния между ними.

где г - расстояние между центрами частиц, 8 - глубина потенциальной ямы,

а - расстояние, на котором энергия взаимодействия становится равной

нулю. Последние два параметра являются характеристиками атомов

12

соответствующего вещества. Первый член описывает энергию

Часто в образовании супрамолекулярных систем принимают участие водородные связи. Водородную связь можно рассматривать, как особый тип связывания, при котором атом водорода, присоединённый к электоотрицательному атому, притягивается к диполю соседней молекулы или функциональной группы. Обычная водородная связь имеет равновесную длину 2.8 А и энергию 5 ккал/моль [10]. Расстояние между атомами, связанными водородной связью (2.5-3.0 А), меньше, чем расстояние, характерное для ван-дер-ваальсового взаимодействия, но больше чем длина ковалентных связей. Особенность водородной связи - это её направленность и насыщаемость. Это приводит к тому, что молекулы, связанные

(1.1)

отталкивания, а второй - притяжения [9].

водородными связями, формируют супрамолекулярные системы одинакового стеростроения. В супрамолекулярной химии водородные связи определяют общую форму многих белков, распознавание субстратов многочисленными ферментами, определяют структур двойной спирали ДНК и др.

Ион-дипольное взаимодействие, так же как и Ван-дер-Ваальсово (диполь-дипольное) относится к слабым, нековалентым связям. Оно обусловлено взаимодействием между ионами и полярными группами мо лекул (либо флуктуациями их электронной плотности). Пример ион-дипольного взаимодействия - связывание иона Ка+ с полярной молекулой воды (рис. 1.1).

Связывание этого типа происходит ^ ^ ^^ как в твердом состоянии, так и в

'' Г^Еа4" растворе. В ряде случаев одним из

НгО [ ОН2 взаимодействий в супрамолекулярной

7 системе является (к-к) взаимодействие,

Рис. 1.1. Ион-дипольное связы- наблюдающееся между ар°матическими вание катиона Ш+ с молекулами молекулами и сопряженными двойными водой. связями.

В целом, межмолекулярные

взаимодействия на порядок слабее, чем ковалентные связи, как следствие

супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более

лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы. Таким

образом, супрамолекулярная химия охватывает и позволяет рассмотреть с

единых позиций все виды молекулярных ассоциатов, начиная от димера -

наименьшей возможной структурной единицы, и до наиболее крупных -

организованных фаз [4].

Самоорганизация в супрамолекулярных системах обусловлена

различными видами электростатического взаимодействия макромолекул по

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перевозова Татьяна Викторовна, 2024 год

источник

природные

искусственные органо-состав

гидро- аэро-/ ксеро-

супрамолекулярные макромолекулярные

кросс-связывание

физические гели химические гели

Рис. 1.6. Классификация гелей [30].

Полимерные гели состоят из сети полимерных цепей, которые набухают в воде (гидрогели), масле (липогели), либо в воздухе (аэрогели)

[31].

Термин гидрогель описывает трехмерные сетчатые структуры,

полученные из класса синтетических и/или природных полимеров, которые

могут поглощать и удерживать значительное количество воды. Гидрогель

представляет собой сеть гидрофильных полимерных цепей, иногда

встречающуюся в виде коллоидного геля, в котором вода является

дисперсионной средой. Трехмерное твердое тело возникает из-за того, что

гидрофильные полимерные цепи удерживаются вместе поперечными

31

связями. Из-за присущих поперечных связей структурная целостность сети гидрогеля не растворяется из-за высокой концентрации воды [32].

Гидрогели также обладают степенью гибкости, очень похожей на естественные ткани, из-за значительного содержания воды. В качестве чувствительных «умных материалов» гидрогели могут инкапсулировать химические системы, которые при стимуляции внешними факторами, такими как изменение рН, могут вызывать высвобождение определенных соединений, таких как глюкоза, в окружающую среду, в большинстве случаев путем перехода гель-золь в состояние жидкости. Впервые термин «гидрогель» в литературе появился в 1894 году [33].

Органогель представляет собой некристаллический, нестекловидный термообратимый материал, состоящий из жидкой органической фазы, заключенной в трехмерно сшитую сеть. Жидкостью может быть, например, органический растворитель, минеральное масло или растительное масло. Растворимость и размеры частиц структурообразователя являются важными характеристиками эластичности и прочности органогеля. Часто эти системы основаны на самосборке молекул структурообразователя [34,35].

Ксерогель представляет собой твердое вещество, образованное из геля путем высыхания с беспрепятственной усадкой. Ксерогели обычно сохраняют высокую пористость (15-50 %) и огромную площадь поверхности (150-900 м2/г), а также очень малый размер пор (1-10 нм). Когда удаление растворителя происходит в сверхкритических условиях, сетка не дает усадки и образуется высокопористый материал с низкой плотностью, известный как аэрогель. Термическая обработка ксерогеля при повышенной температуре приводит к вязкому спеканию (усадке ксерогеля из-за небольшого количества вязкого течения), в результате чего получается более плотное и прочное твердое тело, достигаемые плотность и пористость зависят от условий спекания.

Также в отдельную категорию выделяют нанокомпозитные гидрогели [36, 37] или гибридные гидрогели представляют собой сильно гидратированные полимерные сети, физически или ковалентно сшитые друг с другом и/или с наночастицами или наноструктурами

[38]. Нанокомпозитные гидрогели могут имитировать свойства, структуру и микроокружение нативной ткани благодаря своей гидратированной и взаимосвязанной пористой структуре. Широкий спектр наночастиц, таких как углеродные, полимерные, керамические и металлические наноматериалы, может быть включен в структуру гидрогеля для получения нанокомпозитов с заданной функциональностью. Нанокомпозитные гидрогели могут обладать превосходными физическими, химическими, электрическими, термическими и биологическими свойствами [34].

По механизму образования гелей сшивки могут быть физическими или химическими. Постоянные/химические гели: их называют «постоянными» или «химическими» гелями, так как они представляют собой ковалентно сшитые сети (заменяющие водородную связь более прочными и стабильными ковалентными связями) [39]. Они достигают состояния равновесного набухания, которое зависит от параметра взаимодействия полимер-вода и плотности сшивки. Химически сшитые гели не могут быть повторно растворены и термически необратимы. Обратимый/физический гель: их называют «обратимыми» или «физическими» гелями, когда сети удерживаются вместе за счет молекулярных зацеплений и/или вторичных сил, включая водородные связи, гидрофобные взаимодействия и др. В физически сшитых гелях растворению препятствуют физические взаимодействия, которые существуют между различными цепями

[39]. Физически же сшитые гели отличаются от постоянно ковалентно сшитых полимерных гелей тем, что сшивки могут быть нарушены изменением физических условий или приложением стресса, например, при нагревании или механическом разрушении [40].

Природа этих самоорганизующихся сетевых структур и взаимодействий позволяет формировать СМГ с помощью обратимых механизмов, позволяя им переходить между состояниями геля и раствора. Эти гели имеют обратимые взаимодействия между различными цепями, которые предотвращают растворение. Данное явление происходит из-за электростатического притяжения, водородных связей или гидрофобных взаимодействий [41]. Динамическая и обратимая природа нековалентных взаимодействий, удерживающие сеточную структуру, приводят к присущей супрамолекулярным гелям способности реагировать на внешние раздражители, такие как температура, рН, растворитель, свет и окислительно-восстановительные реакции [42-45].

Кроме того, сшивающие агенты, применяемые для разработки прочных систем гидрогелевых сетей, в основном токсичны (химические гели). Таким образом, любое непрореагировавшее сшивающие агенты должны подвергнуться обработке щёлочью перед окончательным применением. Однако частично прореагировавшие токсичные сшивающие агенты не имеют возможности полностью выщелачиваться. Напротив, физически сшитые гидрогели связанными межмолекулярными связями исключает избежать этой проблемы. Интерес к физически сшитым гидрогель очевиден, так как избегают использования сшивающих агентов, и они полезны для последующей массовой модификации и простоты изготовления [46-53]. Поэтому, подобные системы являются одними из перспективных применений в области медицины и фармацевтики. Однако, главным недостатком физически сшитых гидрогелей, являются их слабые механические свойства.

Как правило, гидрогели могут быть получены либо из синтетических полимеров, либо из природных полимеров. Синтетические полимеры гидрофобны по своей природе и более прочны по сравнению с природными полимерами. Их механическая прочность приводит к медленной скорости

деградации, но, с другой стороны, механическая прочность также обеспечивает долговечность. Эти два противоположных свойства должны быть сбалансированы благодаря оптимальному дизайну. Также его можно применять для приготовления гидрогелей на основе природные полимеры при условии, что эти полимеры имеют подходящие функциональные группы [54].

Гели можно классифицировать по природе происхождения гелеобразователя. К гелеобразователям природного происхождения относят животный белок или полисахариды: желатин, пектины, агар, крахмалы, каррагинаны и др. Большинство гелеобразователей природного происхождения являются макромолекулярными, и они образуют гели за счет физического сшивания, обычно за счёт водородных связей [55].

Гели, полученные из синтетических соединений, могут подразделяться по своему строению на макромолекулярные (полимерные) и молекулярные. Образование гелей из высокомолекулярных соединений могут возникать либо в результате химических сшивок или физических взаимодействий. Когда гели образованы прочными химическими связями, они не могут повторно растворяться, и термически необратимы (например, полиэфир, полиамид, поливиниловый спирт), тогда как гели, образованные за счёт слабых нековалентных взаимодействий обратимы (например, полиакрилат, полиметакрилат) [56]. В целом, гели, полученные из низкомолекулярных соединений, супрамолекулярные в самом строгом смысле, потому что они образуются за счет самоагрегации небольших молекул гелеобразователя -низкомолекулярных гелеобразователей (НМГ). СМГ формируются за счет самоагрегации небольших молекул гелеобразователя с образованием фибриллярные сетей за счет комбинации многочисленных нековалентных взаимодействий. Из-за ориентированного структурирования эта категория мягкого материала называется «умной» системой, которая основана на сочетании супрамолекулярных строительных блоков, позволяющих достичь

определенных свойств, в отличие от ковалентно сшитых полимерных гелей, которые обычно статичны без дополнительной настраиваемости. Другими словами, динамическая природа СМГ, наделяющая их уникальными свойствами, делает их характеристики разнообразными.

Молекулярная самосборка стала интересным инструментом для конструирования структурно и функционально разнообразных мягких материалов в различных масштабах. В отличие от ковалентно-сшитых полимерных гелей молекулярные гели включают низкомолекулярные органические молекулы в качестве основных строительных блоков. Таким образом, подобно другим типам гелей, молекулярные гели также содержат непрерывный жидкий компонент и молекулы гелеобразователя, разделенные микрофазой и различными нековалентными взаимодействиями. В последнее время для создания новых функциональных гелей исследовались галогенные связи и координация металлов [57-62].

Их замечательная способность образовывать сильно запутанные самособирающиеся фибриллярные сети и инкапсулировать большое количество растворителя, что делает их привлекательными кандидатами для потенциальных применений.

1.4. Принципы процесса гелеобразования

Структурообразование в жидких дисперсных системах называют гелеобразованием, т.е. гелеобразование - это переход коллоидной системы из свободнодисперсного состояния (золя) в связнодисперсное состояние (гель). При столкновении частиц в процессе броуновского движения или при перемешивании дисперсной среды происходит коагуляция. В результате образуется осадок, содержащий дисперсионную среду и дисперсную фазу. Однако между гелеобразованием и коагуляцией имеется и существенная разница. Коагулируя, частицы соединяются в компактные агрегаты, а коллоидный раствор разделяется на две фазы:

жидкую - дисперсионную среду и твёрдую - дисперсную фазу. При гелеобразовании растворитель полностью остаётся в системе, концентрация дисперсной фазы во всех частях геля не меняется. В образующихся агрегатах частицы связаны межмолекулярными силами непосредственно или через прослойку дисперсной среды.

Дисперсионная среда захватывается сеткой, как губкой, т. е. полностью иммобилизуется, благодаря чему система теряет текучесть и переходит в твердообразное состояние. Следовательно, застудневание обусловливается не слиянием сольватных слоев, находящихся на частицах дисперсной фазы, а образованием сетчатых структур за счет взаимодействия активных участков частиц дисперсной фазы.

Если мы рассмотрим начало процесса гелеобразования из раствора, процесс «сшивания» растворимых цепей индуцирует образование все более и более крупных и разветвленных цепочек. До критической точки эта смесь растущих цепей остаётся растворимой и называется золем. Образуется большая молекула, охватывающая целые системы, и, если сшивка носит ковалентный характер, большая молекула не растворяется ни в каком растворителе, а только набухает или сжимается. Также сшивка цепей между собой может происходить посредством связанных между собой множественных нековалентных взаимодействий (водородными

связями, Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями и т. д.).

Структурообразование в растворах высокомолекулярных соединений происходит потому, что макромолекулы сцепляются активными группами, а их основные линейные цепи и боковые ответвления могут переплетаться, создавая сетчатую структуру.

Сшивание, при котором золь превращается в гель, называют золь-гель переходом или гелеобразованием, а критическая точка, при которой гель впервые появляется, называется точкой гелеобразования. Самые ранние

исследования перехода золь-гель были проведены на заре науки о полимерах.

37

первоначальное количественное описание гелеобразования, основанное на подходах среднего поля, было разработано в 1940-х годах Флори и Стокмайером.

На процесс гелеобразования оказывают влияние концентрация дисперсной фазы, размеры частиц, форма частиц, механическое воздействие и температура.

Концентрация оказывает существенное влияние на процесс гелеобразования. При прочих равных условиях более концентрированные коллоиды и растворы ВМС легче переходят в гели и студни, чем разбавленные. Большая зависимость застудневания от концентрации объясняется тем, что в более концентрированных системах уменьшается расстояние между частицами и макромолекулами, благодаря чему увеличивается число столкновений частиц и облегчается образование структур за счёт сцепления активными центрами. С повышением концентрации возрастает число контактов и скорость их возникновения. При этом в системах, в основе которых лежит самоорганизация низкомолекулярных гелеобразователей, концентрация может играть ключевую роль [52,63].

Процесс гелеобразования также зависит от размера и формы частиц. Чем они меньше при постоянной массовой концентрации дисперсной фазы, тем больше образуется межмолекулярных взаимодействий. Также гелеобразование облегчается, если частицы анизодиаметричные. То есть частицы, имеющие различающиеся размеры по разным направлениям -палочкообразные, игольчатые, нитевидные и т.д. Экспериментально установлено, что чем ярче выражена анизодиаметричность, тем при меньшей концентрации золя легче образуется гель.

При повышении температуры скорость гелеобразования также увеличивается. Однако в результате повышения интенсивности броуновского

движения гели могут переходить даже в неструктурированные жидкости.

38

Механическое воздействие обычно препятствует образованию геля. Однако в некоторых случаях скорость образования геля можно значительно увеличить, если сосуд медленно вращать. Это явление получило название реопсии. Однозначного объяснения этого явления нет, но некоторые ученые считают, что причиной реопсии является возникновение в системе турбулентности, ускоряющей установление контактов между частицами.

1.5. Химическая природа и принципы образования СМГ на основе низкомолекулярных соединений

СМГ получаются из соединений с небольшой молекулярной массой (<3000) [64,65]. Они образуются строго за счет межмолекулярных взаимодействий, которые устанавливаются между молекулами в длинные анизотропные структуры, чаще всего в волокна, способные иммобилизовать растворитель за счет поверхностного натяжения и капиллярных сил [34,66]. Гели основе низкомолекулярных соединений состоят из молекул, которые в процессе самоорганизации объединяются в нано- и микроразмерные структуры. Формирование СМГ - это процесс, который протекает в условиях равновесия стадий растворения и осаждения гелеобразующего компонента в среде растворителя. Выделяют три уровня организации структуры геля: первичный (молекулярный), вторичный (наноуровень, размер частиц 10-1000 им) и третичный (макроуровень, 1 - 1000 мкм). Именно третичной структурой определяется завершающая стадия процесса - образование геля [66, 67].

Гели на основе НМГ точно следуют концепциям супрамолекулярных химии, и это может быть использовано в широком подходе при приготовлении гелей использование надмолекулярных структурных элементов. Структурирование происходит через функциональные группы, действующие как алгоритмы нековалентной связи, таких как водородная связь, координация металлической связи, катион-анион электростатическая

связь, ион-диполь, ориентация диполей, Ван-дер-Ваальсово и п-взаимодействие, о которых шла речь (табл 1.1.) и приводит к формированию самоорганизующейся сплошной сети внутри жидкости.

Большинство гелеобразователей имеют более одной функциональности в своих молекулярных фрагментах, и что действительно важно, характер взаимодействия, которому способствуют эти структурные элементы, обеспечивающие водородную связь, Ван-дер-Ваальсово взаимодействие, координацию ионов металлов, электростатическое взаимодействие и т. д. На рис. 1.7 показаны некоторые функциональные группы соединений и вещества, используемые в получении СМГ.

Рис. 1.7. Структурные формулы веществ и функциональные группы, используемые для получения СМГ.

Среди межмолекулярных взаимодействий водородная связь занимает особое место [68,69]. Направленное выравнивание, селективность и сила связывания максимизируют сближение молекул и привносят стабильность в волокна. Этот факт не так удивителен, если подумать о важности водородной связи в организации рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислот, белков [70,71].

В общем смысле фундаментальная концепция гелеобразования состоит в следующем:

1. Димеризация двух отдельных молекул;

2. Образование олигомера при взаимодействии димеров с другими молекулами за счёт межмолекулярных взаимодействий;

3. Образование полимерных фибрилл примерно одинаковой ширины, как у молекулярных строительных блоков (1-2 нм) за счет удлинения олигомеров;

4. Образование волокон путем связывания фибрилл (шириной около 20-50 нм);

5. Взаимодействие волокон для создания фактически бесконечной взаимосвязанной сети, охватывающей весь образец (наименее хорошо понятный аспект процесса гелеобразования);

6. Иммобилизация растворителя сетью волокон в целом эффектами поверхностного натяжения.

Набухание гидрогелей является важным параметром, определяющим их характеристики. Наличие воды на поверхности гидрогелей снижает межфазную свободную энергию в физиологической среде и тем самым улучшают их биологические свойства. В процессе набухания первые молекулы воды гидратируют наиболее полярные, гидрофильные группы, и эта часть воды называется «первично связанной водой». Как завершается гидратация полярных и гидрофильных групп, сеть набухает и активизирует гидрофобные группы, которые начинают взаимодействовать с водой посредством гидрофобного взаимодействия. Вместе первичная и вторичная связанная вода молекул часто называют общей связанной водой [72]. После того, как вода взаимодействует как с гидрофильными, так и с гидрофобными участками, осмотическая движущая сила сетевые цепи позволяют сети поглощать больше воды. Это дополнительное вздутие противостоит наличию ковалентных или физических сшивающих соединений через упругие сила втягивания сети. Наконец, баланс силы втягивания и бесконечного разведения силы устанавливают равновесный уровень набухания [72].

Явление тиксотропии - одно из доказательств того, что структурообразование в таких системах происходит за счет нековалентных сил. В тиксотропных превращениях частицы дисперсной фазы не сливаются друг с другом, не укрупняются, т.е. степень дисперсности остается неизменной, а получаемые золи имеют одинаковую вязкость. Тиксотропные гели образуются преимущественно в системах, частицы дисперсной фазы которых имеют удлиненную или пластинчатую форму. Это и обуславливает получение структур, легко разрушающихся при размешивании и встряхивании.

Формирование СМГ возможно при очень маленьком содержании НМГ по отношению к растворителю, причем концентрация желирующего агента может находиться в диапазоне от 0,1% до 5%. В некоторых случаях содержания дисперсной фазы менее 0,1% достаточно для получения гелей. В таком случае НМГ относят к супержелаторам [50-53, 73-76]. Метастабильный характер этой категории гелей придает этим мягким материалам очень интересное свойство, которое заключается в способности получать нановолокна с различной морфологией и полиморфизмом, в зависимости по типу внешних раздражителей или при изменении препарата состоянии, еще до образования геля.

Изучение механизмов образования СМГ во многом привлекает внимание из-за трудностей исследования и понимания. С этой точки зрения часто очень трудно предсказать, сформируют ли молекулы гель или нет; действительно, гелеобразование было описано как эмпирическая наука [77]. Структурно сходные небольшие молекулы могут проявлять совершенно разную склонность к образованию гелей. Были предприняты попытки преодолеть это с помощью ряда методов [78,79]. Другие методы, которые использовались для решения этой неспособности предсказать гелеобразование, включают использование метода библиотек и вычислительных подходов. Методология библиотековедения включает в себя

создание большого количества подобных молекул и последующее определение того, какие из них образуют гели [80-82]. Этот метод часто оказывается успешным при поиске гелеобразователей, но он менее эффективен при объяснении того, почему одни молекулы могут образовывать гели, а другие нет. Например, замена одной функциональной группы на другую приведет к изменению стерического объема молекулы, способности к упаковке, возможно, числа доноров или акцепторов водородных связей, абсолютной растворимости в том или ином растворителе и т.д. Следовательно, простые списки гелеобразователей и их эффективность часто не отражают сложность системы. Недавние достижения в вычислительных подходах были успешными в прогнозировании гелеобразователей. Группа учёных успешно предсказала гелеобразователи на основе трипептидов [83], однако в обоих случаях методы снова не объясняют, почему некоторые молекулы образуют гели, а другие нет.

На данный момент простое утверждение о том, что конкретная молекула может образовывать гели, в лучшем случае упрощенно. Это утверждение справедливо для молекулы в определенных растворителях, при определенных концентрациях и температурах, потенциально в присутствии определенных добавок; наиболее критично, если использовался тот же процесс, который авторы описывают в своей работе. Взяв их по порядку, каждая молекула будет образовывать гели в определенном концентрационном диапазоне.

Большое количество нековалентных взаимодействий с одной стороны способствует большой устойчивости супрамолекулярных ансамблей, с другой - слабые межмолекулярные связи обеспечивают обратимость процесса самоорганизации молекул и возможность управления этим равновесием путём изменения внешней среды - (рН среды, температуры, концентрации, природы растворителя и др.). Поскольку эти гель-сетки

включают слабые взаимодействия, они легко превращаются в жидкость (золь) при нагревании и обычно термически обратимы.

1.6. Методы исследования СМГ

С расширением исследований СМГ многие спектроскопические, дифракционные, микроскопические и реологические методы были использованы для лучшего понимания и характеристики свойств материалов этих гидрогелей. В частности, спектроскопические методы используются для характеристики структуры СМГ на атомном и молекулярном уровнях. Методы дифракции основаны на измерении кристалличности и помогают анализировать структуру СМГ, тогда как микроскопия позволяет исследователям исследовать эти гидрогели с высоким разрешением и получить более глубокое понимание морфологии и структуры материалов. Механические характеристики также важны для применения СМГ в различных областях. Этого можно достичь с помощью измерений атомно-силовой микроскопии, когда зонд взаимодействует с поверхностью материала. Кроме того, реологическая характеристика может исследовать жесткость, а также истончение при сдвиге и свойства самовосстановления гидрогелей.

Динамическая природа нековалентных взаимодействий, которые соединяют молекулы гелеобразователя для образования СМГ, представляет большие трудности для их характеристики. Чтобы полностью исследовать эти мягкие материалы, необходимо понимание преимуществ и недостатков каждого метода. В целом говоря, анализ и характеристика СМГ призвана помочь ученым понять, как небольшие молекулы расположены и организованы в матрицах гидрогелей, что в свою очередь приводит к новым подходам конструкции СМГ, так и для разработки различных функциональных молекулярных биоматериалов.

Спектроскопические методы, такие как методы ЯМР, УФ и ИК спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния, часто используются при характеристике СМГ. Эти эксперименты позволяют анализировать динамику состояния гель-раствор и процессы связывания, которые важны для характеристики образования и стабильности СМГ.

Спектроскопия ЯМР является эффективным методом исследования, с помощью которого можно получить много информации при правильном применении. Основное использование ЯМР-спектроскопии заключается в определении присутствия определенных видов и функциональных групп в структуре геля. Сравнение нескольких спектров ЯМР после изменения экспериментальных условий позволяет сделать вывод об изменениях в молекулярной структуре. ЯМР, который является методом исследования объектов супрамолекулярной химии, известен как ЯМР в растворенном состоянии и предоставляет информацию о составе раствора. Обычно ядра водорода изучают с помощью спектроскопии ЯМР в растворенном состоянии; однако гелеобразование и сопутствующее снижение подвижности являются ограничениями для этого конкретного метода [84].

Однако существует несколько проблем при изучении аморфных материалов, порошковых образцов, полимеров и мягких материалов. Среди неинвазивных аналитических инструментов методы спектроскопии ЯМР в растворенном состоянии играют доминирующую роль в структурной характеристике органических и неорганических соединений, гибридов, макромолекулярных структур, биомолекул и даже отдельных клеток [85,86].

Важно отметить, что идея использования ядерно-магнитной поляризации для изучения кристаллических твердых тел была реализована вскоре после ее изобретения [87]. Продолжение прогресса в области спектроскопии ЯМР, твердотельной кросс-поляризации и вращения под магическим углом высокого разрешения, сделал метод ЯМР важным инструментом в структурной химии, материаловедении и биологии [88-92].

Спектроскопия ЯМР также предлагает возможности для изучения некристаллических материалов, аморфных твердых тел, жидкокристаллических материалов, гелей и даже живых клеток.

Методы абсорбционной спектроскопии подразумевают облучение образца светом определенной длины волны и измерение оптической плотности для определения типа молекулы в образце, а также ее концентрации с использованием закона Бугера-Ламберта-Бэра [92,93]. Двумя наиболее распространенными методами абсорбционной спектроскопии являются УФ и ИК спектроскопия.

В методе УФ спектроскопии электромагнитное излучение в УФ и видимом диапазонах проходит через образец (раствор) анализируемого вещества, что позволяет провести измерение поглощения. Таким образом, как и в случае с ЯМР, сравнение УФ спектров до и после изменения переменной раствора позволяет выявить изменения в составе или концентрации. Например, отдельно п-сопряженные гелеобразующие агенты поглощают в видимой области, а спектроскопия поглощения самособирающегося производного олигопептида показала, что максимум поглощения не меняется при смене растворителя, но изменяется форма полосы поглощения (уширение, образование плеча). изменение, свидетельствующее об образовании агрегатов [94]. Различия в спектрах поглощения могут быть идентифицированы как свидетельство химических превращений. Таким образом, УФ спектры можно сравнивать в более общем виде по мере изменения химического состава растворов или гидрогелей, чтобы подтвердить структурные изменения соответствующих молекул [92, 95].

Так, гибридные гели характеризуются с использованием различных методов, но УФ-видимая спектроскопия является легко доступным методом для определения характеристик наночастиц благородных металлов, содержащихся в структуре геля [96].

Этот метод широко используется для определения размера и формы металла наночастицы. Рост металлических наночастиц в полимерной сетке или рост полимерной сетки вокруг ядра металлической наночастицы можно изучить с помощью с помощью УФ спектроскопии. Этот метод также может быть использован для исследования прикладного использования гибридных материалов в катализе, фотонике и сенсорике.

Метод ИК спектроскопии позволяет с помощью характеристических полос поглощения, отвечающих определенным колебаниям функциональных групп в молекуле, характеризовать химическое строение растворов и гелей. Например, метод ИК спектроскопии может быть использован для характеристики процесса образования СМГ и может дать представление о сборке «цепочек» на молекулярном уровне, а также позволяет определять нековалентные взаимодействия (водородное связывание), ответственные за гелеобразование. Для характеристики СМГ путем сравнения различий в спектрах поглощения раствора и геля и анализа того, какие полосы поглощения появились или исчезли, становится возможным сделать вывод о движущей силе гелеобразования [97,98].

Спектроскопия комбинационного рассеяния света или рамановская спектроскопия - еще один стандартный метод, который основан на рассеянии фотонов в результате переноса энергии на молекулярном уровне. Комбинационное (или рамановское) рассеяние является неупругим и позволяет получать данные, как и метод ИК спектроскопии, о молекулярной структуре и измерять такие свойства, как кристалличность. В работе [99] группа учёных представила новую разработку в расширении возможностей спектроскопии комбинационного рассеяния для характеристики супрамолекулярных гидрогелей. Из нормированных по концентрации разностных спектров комбинационного рассеяния, измеренных при различных значениях рН, можно было точно определить рКа соединения. В этом смысле рамановская спектроскопия является полезным инструментом,

который можно применять для определения динамики формирования гидрогеля.

Рамановская спектроскопия с пространственным смещением -технология, значительно повышающая разрешение стандартной рамановской спектроскопии [100]. Применение этого метода позволяет определить наличие определенных металлов, таких как Аи и Ag, присутствующих на анализируемой поверхности образца, например, частиц Ag включенных в СМГ на основе фенилаланина [101]. Кроме того, этот метод может использоваться для характеристики слабых межмолекулярных взаимодействий, участвующих в образовании гидрогеля. В частности, изменение интенсивности характеристических полос рассеяния в зависимости от температуры показало, что гидрогель образовался за счет межмолекулярного водородного связывания карбоксильных групп и оксалиламидных групп в молекулах гелеобразователя.

Динамическое светорассеяние (ДСР) — метод, особенно полезный при определении профиля распределения рассеивающих частиц по размерам, структурообразования и взаимодействий мелких частиц в суспензии, полимеров в растворе или супрамолекулярных системах. Этот метод также может быть использован для исследования поведения сложных жидкостей, таких как концентрированные растворы полимеров. Периодические измерения образца могут предоставить информацию о том, как частицы агрегируют с течением времени. Также данный метод часто совмещен с измерением дзета (^)-потенциала на поверхности рассеивающих частиц позволяет характеризовать поверхностные свойства СМГ.

Рентгеновская дифракция на кристаллической фазе под большими и малыми углами остается наиболее важным инструментом для оценки природы надмолекулярной структуры в твердом состоянии. Кроме того, в некоторых случаях показано, что самоорганизующиеся фибриллярные сети являются микрокристаллическими, что предполагает определенную степень

кристалличности, подходящую для анализа порошковой рентгеновской дифракции [102]. Во время кристаллизации условия часто отличаются от условий гелеобразования, для порошковой рентгеновской дифракции требуются высушенные гели или аэрогели. Таким образом, информация о гелях в их нативном состоянии ограничена. В растворе и геле анализ малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР) и малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) использовался для получения информации о самособирающихся сверхструктурах [103,104].

Методы электронной микроскопии (ЭМ) используются для визуализации деталей строения образцов с высоким разрешением (микро и нано уровни), благодаря которой можно увидеть и понять эти морфологические особенности. Хотя методы ЭМ можно использовать для характеристики морфологии многих типов гидрогелей, а также других материалов, они особенно ценны для характеристики СМГ, поскольку позволяют визуализировать отдельные волокна самособирающихся структур. Электронные микроскопы используют пучок быстрых электронов для получения изображений образцов с высоким разрешением, хотя это может привести к разрушению анализируемого вещества. Наиболее распространенными методами электронной микроскопии для характеристики гидрогелей являются просвечивающая (ПЭМ) и сканирующая (СЭМ) электронная микроскопия.

Метод ПЭМ подразумевает электронный луч, проходящий через ультратонкий образец, чтобы определить морфологию материала с чрезвычайно высоким разрешением. При изучении методом ПЭМ гидрогелей становится возможным определить форму и размеры отдельных компонентов, таких как фибриллы или мицеллы, образующие гидрогель, или их распределение в гидрогеле [105-107]. В методе СЭМ технология не требует серьезной подготовки образцов для его исследования, хотя она менее детализирована и обеспечивает только визуализацию поверхности

материалов. Несмотря на их различия, СЭМ часто применяется по тем же причинам, что и ПЭМ, для изучения морфологии СМГ. Изменение состава гидрогеля и сравнение его с исходным путем визуализации является стандартным способом определения микроскопических различий между гидрогелями [108].

Для гидрогелей обрывки доказательств присутствия фибриллярной сетчатой структуры гелей были обнаружены в гидратированном состоянии с помощью криогенной просвечивающей электронной микроскопии (Крио-ПЭМ). Сушка в критической точке с использованием сверхкритического диоксида углерода и лиофилизация жидким пропаном также дают возможность наблюдать структуры, близкие к их естественному состоянию, и условий визуализации, когда образцы претерпевают серьезные изменения или даже повреждаются. Несмотря на то, что широкий спектр гелеобразователей не позволяет получить качественные монокристаллы, тем не менее, в некоторых случаях достигается успешная кристаллизация [109].

Изучение механических характеристик СМГ осуществляется с

помощью реологических методов. При установлении золь-гель перехода эти

методы являются основными. Характеристика механических свойств

методами реологии как на макро-, так и на микроуровне важна для всех

гидрогелей, но она особенно актуальна для СМГ из-за их повышенной

способности к самовосстановлению, что является результатом процесса

самосборки. Реология предоставляет информацию о механических свойствах

гидрогеля и его степени текучести, особенно при напряжении сдвига.

Последнее особенно полезно при рассмотрении этих материалов для

потенциального применения в 3D-печати или биопечати, где биочернила

должны проходить через сопло, а затем затвердевать в трёхмерную

структуру [110,111]. Реологические свойства истончения при сдвиге и

самовосстановления также важны для обработки гидрогелей в тканевой

инженерии и доставки лекарств, а также при оценке их потенциала для

минимально инвазивной доставки in vivo посредством инъекции [112]. Реологические свойства гидрогеля сильно зависят от механизма и степени сшивки, а также от структуры молекул, и эти свойства можно регулировать, изменяя структуру, молекулярную массу или концентрацию гелеобразователя, а также добавляя другие вещества в гидрогель.

1.7. Перспективы и области применения СМГ

Для фундаментальной науки гели представляют интерес, как системы с различными формами структурной организации. Традиционно гели определяли их ковалентно сшитыми полимерными сетками. СМГ иначе: узлы пространственной сетки и сами цепи построены за счет нековалентных взаимодействиях при самоорганизации в иерархические структуры. Этот класс материалов предлагает множество новых и интересных потенциальных применений. СМГ могут найти своё применение в качестве оптоэлектронных, энергетических, биомедицинских, биологических материалов. Такие гели обычно имеют больше параметров, которые можно регулировать для точной настройки их свойств, чем их несупрамолекулярные аналоги. Большое количество нековалентных взаимодействий с одной стороны способствует большой устойчивости супрамолекулярных ансамблей, с другой - слабые межмолекулярные связи обеспечивают обратимость процесса самоорганизации молекул и возможность управления этим равновесием путём изменения внешних условий: pH среды, температуры, концентрации, природы растворителя и др. Другими словами, динамическая природа СМГ наделяет их уникальными свойствами. Этот класс материалов предлагает множество новых и интересных потенциальных применений.

Например, были предприняты усилия по использованию уникальных свойств СМГ в области электроники для электрических проводников следующего поколения. Традиционные проводящие полимеры обладают меньшей гибкостью и технологичностью по сравнению с непроводящими

полимерами, что ограничивает их потенциальное использование в желаемых областях. Проводники на основе СМГ можно использовать не только для изготовления гибких электродов или датчиков, но также для самовосстанавливающихся цепей, электромеханических датчиков, электроактивных каркасов для инженерии мягких тканей [113-115].

Присущее СМГ свойство проявлять обратимый фазовый гель-золь переход под действием тепла, можно использовать для термосенсорных приложений. Также введение хромофора или молекулярного рецептора в молекулу гелеобразующего агента может сделать СМГ очень чувствительным к действию света или определённых химических веществ. Такие гели перспективны для разработки фото- и химических сенсоров [116118].

В настоящее время проводятся интенсивные фундаментальные исследования, направленные на разработку методов получения новых фотоактивных материалов для широкого спектра применений в технике, медицине, биологи, энергетике и оптоэлектронике (рис.1.8).

Изначально для создания флуоресцентных сенсоров использовалось множество различных материалов, таких как органические соединения, металлические кластеры, полупроводниковые материалы и др. По сравнению с другими флуоресцентными сенсорами, супрамолекулярные системы обладают уникальными преимуществами, включая многофункциональность и внешние сигналы (цвет, флуоресценция и состояние геля), которые основаны на динамическом и обратимом характере их нековалентных взаимодействий [120, 121]. Было показано, что различные гели излучают разные спектры света в различных режимах. Длина волны излучаемого света при этом может меняться в присутствии различных ионов.

Большой раздел применения СМГ посвящен энергетике. В этой области солнечные элементы являются особенно привлекательным применением из-за возможности настройки электрических и оптических

свойств СМГ. Поскольку солнечная энергия является легко доступным возобновляемым источником энергии, её преобразование и хранение приобрели большое значение в области энергетики. В последнее время разработано большое количество синтетических молекул, содержащих хромофорную группу, где происходит передача энергии между донором и акцептором хромофора в матрице геля.

Рис. 1.8. СМГ и их практическое применение [119].

Так, в работе [122] синтезировали умный гель, состоящий из 1,8-нафталимида и производного акридина в ацетонитриле, в котором оба гелеобразователя дают фибриллярную сеть путем самосборки, и гель может действовать как светособирающая система. СМГ также нашли применение в развитии технологии солнечных элементов, сенсибилизированных красителем, выступая в качестве материала для замены жидких электролитов благодаря их проводимости и гибкости без риска утечки жидкости [123].

Разнообразие физико-химических свойств, а также более высокая их проницаемость сделали гидрогели предметом исследования в различных

областях биомедицины [124,125]. В виду отсутствия точек сшивания, гидрофильные линейные цепи растворяются в воде за счет термодинамической совместимость полимерных цепей и воды.

СМГ широко используются в клинической практике и медицине для широкого круга заболеваний, включая тканевую инженерию, регенеративную медицину, диагностику, разделение биомолекул, создание барьерных материалов. Этот биоматериал может удерживать большое количество биологических жидкостей и набухать. В виду отсутствия точек сшивания, гидрофильные линейные цепи растворяются в воде за счет термодинамической совместимость полимерных цепей и воды. В настоящее время гидрогели широко применяются в биомедицинских науках для заживления ран, тканевой инженерии и доставки лекарств [126]. В таких гидрогелях часто используются такие полимеры, как коллаген, гиалуроновая кислота, альгинат, хитозан и др. Дополнительные исследования сосредоточены на разработке биомиметических гидрогелей, которые стремятся имитировать физико-химические и биологические свойства природных материалов для тканевой инженерии при лечении кожных заболеваний [127].

Различные биоактивные молекулы, такие как антибиотики или антиоксиданты, могут быть инкапсулированы в матрицу геля за счет дополнительных нековалентных взаимодействий с образованием умных и высоко функциональных гелей [128]. Количество работ по инкапсулированию антиоксидантов в гели в основном ограничивается полимерными материалами. [129-131]. Инкапсулирование часто приводило к аналогичному поведению антиоксиданта, иногда с сохранением его активности, а иногда с небольшим улучшением. Такие же исследования инкапсулирования антиоксидантов внутри низкомолекулярных гелей пока очень ограничены, что делает эту область исследований очень интересной и привлекательной. В работе [132] сообщается о приготовлении гелевых

наночастиц, подходящих для контролируемой доставки антиоксидантов. Обнаружено, что в зависимости от структуры антиоксиданта, их инкапсуляция в структуру НМГ, может участвовать в формировании надмолекулярных взаимодействий (Н-связей и п-п-стэкинга) с волокнистой структурой. Антиоксиданты являются важными веществами для применения in vivo в косметике, а также в фармацевтике и могут быть включены в гели или другие составы, которые будут высвобождаться с течением времени, но они также могут улучшать и сохранять активность и применимость геля.

Возможность рационально создавать специфические, но обратимые, структуры СМГ позволяет создавать материалы для инъекций или распыления, которые можно применять с помощью минимально инвазивного введения. СМГ играют основную роль в области доставки лекарств из-за их большой адаптации с точки зрения состава и приспособляемости. Опять же наличие обратимых взаимодействий в биосовместимом геле обеспечивает то, что они могут быть разработаны с целью реагирования на различные стимулы, такие как изменение pH, ионной силы или действия фермента, разрушают гелеобразную структуру и высвобождают лекарство для конкретной цели [133].

Также СМГ могут служить в качестве матрицы для сборки наночастиц. Самособирающиеся нановолокна, произведенные супрамолекулярными гелями, используется в качестве шаблона для сборки наночастиц, потому что гели могут давать различные типы наноархитектуры, такие как скрученные наноленты, нанотрубки, спиральные наностержни и спиральные нановолокна. В работе [134] синтезировали наноцепь Ag(0) путем фотовосстановления самособирающихся нановолокон. Нанокомпозиты различных металлов в СМГ, таких как металлы Ag, Au и Pd хорошо зарекомендовали себя. Группа авторов в работе [135] сообщает, что гелеобразователи желчных кислот с тиолами могут стабилизировать наночастицы золота и серебра.

Интеллектуальные полимерные микрогели, загруженные наночастицами благородных металлов, привлекли большое внимание благодаря сочетанию многих свойств в одной системе. Такие гели примечательны наличием металлических наночастиц и пространственной сетки, окружающей их, поэтому их называют гибридными микрогелями [136]. Гибридные микрогели, наполненные наночастицами металлов, активно используются в биомедицине [137], оптике [138], электронике [139].

СМГ открывают огромное поле деятельности для исследований в области материаловедения мягких материалов. Подобные системы различных типов начинаются с надмолекулярных строительных блоков и физико-химических свойств их составляющих, что требует совместных усилий специалистов из разных областей химии, физики, техники и др. Возможность контроля над механизмом формирования СМГ позволяет получать и использовать широчайший ряд веществ с легко регулируемыми свойствами. Представленные примеры демонстрируют уникальные преимущества СМГ, включая настраиваемость, технологичность и способность к самовосстановлению, что позволяет использовать новый подход к решению инженерных задач.

1.8. Уникальность СМГ на основе L-цистеина и солей серебра

В последние годы гидрогели на основе природных полимеров привлекают повышенное внимание, поскольку могут быть использованы для биомедицинских целей, например, доставки лекарств, инжиниринга тканей. Природные полимеры, такие как полисахариды (крахмал, целлюлоза, хитин); белки (коллаген, казеин, альбумин, шелк), являются, в основном, гидрофильными, и поэтому подходят для дизайна нетоксичных биодеградируемых гидрогелей. Однако гели в этих случаях образуются на основе больших молекул высокомолекулярных соединений.

Гелеобразование на основе низкомолекулярных

низкоконцентрированных соединений - явление более редкое. Среди

гелеобразующих систем, особый интерес представляют такие, в которых структурирование происходит при низком содержании дисперсной фазы. Одной из интереснейших подобных систем является гель на основе аминокислоты цистеина и ионов серебра, открытый сравнительно недавно [1].

В течение ряда лет группой исследователей кафедры физической химии ТвГУ изучается система, полученная на основе природной аминокислоты L-цистеина (2-амино-3-меркаптопропионовой кислоты) и нитрата серебра (AgNO3). Обнаружено, что их низкоконцентрированные водные растворы при определенном концентрации и молярном соотношении исходных компонентов образуют СМГ. Данная система названа авторами цистеин-серебряным раствором (ЦСР). Было установлено, что процесс гелеобразования значительно инициируется добавлением в ЦСР электролитов с определенными анионами [1] или разбавлением раствора некоторыми водорастворимыми жидкими неэлектролитами, например, спиртами [140]. Используя комплекс современных методов исследования [49-52, 141-147] удалось достичь значительного прогресса в понимании процессов самосборки в ЦСР. Одной из движущих сил гелеобразования является комплексообразование ионов серебра с молекулами L-цистеина. Хорошо известно, что ионы серебра проявляют высокое сродство к серосодержащим лигандам. Хотя в литературе [148-150] имеется много данных об образовании комплексов серебра с различными органическими соединениями, содержащими донорные атомы серы, такими как тиолы, алкилмеркаптаны, пеницилламины и их производные, гелеобразование на основе нитрата серебра при низких концентрациях ещё не изучено. В виду того, что самоорганизация на одной из стадий происходит за счёт слабых межмолекулярных взаимодействий, гидрогель на основе L-цистеина и AgNO3 следует отнести к супрамолекулярной системе на основе низкомолекулярных гелеобразователей.

Для эффективного использования уникальных свойств различных гидрогелей на основе супрамолекулярных соединений необходимо детальное понимание общих закономерностей, приводящих к формированию особенностей их пространственной структуры. В ходе дальнейших исследований СМГ удалось найти новые системы на основе L-цистеина и других солей серебра, а именно нитрита (AgNO2) и ацетата (AgООСCHз) серебра. Было установлено, что в ЦСР на основе L-цистеина и ацетата (AgООСCHз) [53,151] наблюдается формирование гидрогеля при добавлении инициатора (низкомолекулярные анионы), как и для системы на основе AgNO3. Уникальность всех вышеперечисленных гидрогелей заключается в том, что гелеобразование наблюдается при крайне низком содержании дисперсной фазы (~ 0,01%). Следует отметить, что гелеобразование при таких концентрациях исходных компонентов относится к числу парадоксальных и редко наблюдаемых физико-химических процессов. Парадоксальность явления состоит в том, что хаотически движущиеся молекулы растворенных веществ, среднее расстояние между которыми составляет сотни ангстрем, способны спонтанно организовываться в трехмерную пространственную сетку (гель), а не образовывать, например, слабо взаимодействующие комплексы или агрегировать с образованием осадка, что, на первый взгляд, представляется более вероятным. В настоящее время известно очень мало низкомолекулярных гелеобразующих систем на основе аминокислот с низкой концентрацией.

Среди новых открытых СМГ стоит особенно отметить гидрогели на основе AgNO2 [51,52,152]. Особенностью гидрогелей с использованием AgNO2 является то, что их образование происходит без добавления электролита, что позволяет синтезировать их в одну стадию. Также отличительной особенностью является факт формирования НЧС в СМГ в ходе химического взаимодействия, в то время как в системах на основе других солей образование НЧС происходит посредством облучения УФ или

дневным светом [153-155]. Таким образом, синтез СМГ на основе L-цистеина и AgNO2 позволяет получать композицию, которая представляет собой гидрогель, содержащий НЧС.

Исследование гидрогелей на основе L-цистеина и солей серебра представляет собой научный интерес. В силу своей относительной простоты строения гидрогели на основе L-цистеина и солей серебра являются удобными модельными системами для изучения процессов самосборки с целью разработки способов конструирования низкомолекулярных гелеобразователей. При этом в виду того, что исходные компоненты относятся к веществам природного происхождения, данные системы могут служить матрицей для создания новых биоактивных лекарственных соединений широкого спектра действия.

Биосовместимость и способность связывать большой объем воды при очень малом содержании дисперсной фазы (<0,01%) позволяют рассматривать супрамолекулярные растворы и гели, как перспективные материалы для создания новых ранозаживляющих и противоожоговых и косметических средств.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Используемые химические вещества и реагенты

В работе использованы реактивы: L-цистеин «Acros» 99, нитрит серебра 99% (Lancaster), %, нитрат серебра 99% (Lancaster), N-ацетилцистеин >98% (BioChemica), меркаптопропионовая кислота >99% (Sigma), цистеамин >98% (Fluka), гидроокись калия (ч.д.а).

На основе данных реактивов были получены следующие образцы исследования:

• Цистеин-серебряные растворы со следующими молярными соотношениями и их конечными концентрациями (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Молярные соотношения исходных компонентов при приготовлении ЦСР и их конечные концентрации

№ образца L- цистеин/AgNO 2 Конечная концентрация при заданной концентрации исходных веществ, мМ

1 10 25 50

1 1.00/0.70 0.30/0.21 3.00/2.10 7.50/5.25 15.00/10.50

2 1.00/0.80 0.30/0.24 3.00/2.40 7.50/6.0 15.00/12.00

3 1.00/1.00 0.30/0.30 3.00/3.00 7.50/7.50 15.00/15.00

4 1.00/1.25 0.30/0.375 3.00/3.75 7.50/9.375 15.00/18.75

5 1.00/1.50 0.30/0.45 3.00/4.50 7.50/11.25 15.00/22.50

6 1.00/1.60 0.30/0.48 3.00/4.80 7.50/12.00 15.00/24.00

7 1.00/1.70 0.30/0.51 3.00/5.10 7.50/12.75 15.00/25.50

8 1.00/1.75 0.30/0.525 3.00/5.25 7.50/13.12 15.00/26.25

• Супрамолекулярные гидрогели на основе L-цистеин/AgNO2 - образцы

№3 и №4 (табл. 2.1) с концентрациями: Сцис/СAgNO2=3.00/3.00;

3.00/3.75; 7.50/7.50; 7.50/9.375; 15.00/15.00; 15.00/18.75.

• Водные растворы на основе производных L-цистеина с

концентрациями:

> НАЦ/ AgNO2, (Снац/СAgNO2 = 3.00/3.00; 3.00/3.75)

> МПК/ AgNOз, (Смпк/СAgNoз = 3.00/3.00; 3.00/3.75)

> ЦА/ AgNOз, (Снац/СAgNoз = 3.00/3.00; 3.00/3.75)

2.2. Методика получения образцов и объекты исследования

Для приготовления ЦСР использовались растворы исходных веществ с концентрациями 1, 10, 25, 50 мМ. Приготовление исходного раствора L-цистеина и нитрита серебра: к навеске вещества приливается рассчитанное количество воды, и навеску растворяют при постоянном помешивании и нагревании при 60оС. Раствор хранят в защищенном от света месте. Смешивание водных растворов исходных компонентов (Ь-цистеин и AgNO2) осуществляли при различных молярных соотношениях (табл. 2.1).

Методика изучения структурирования в растворах, содержащих Ь-цистеин и нитрит серебра: в пробирке на 4 мл к водному раствору нитрита серебра добавляли рассчитанное количество воды так, чтобы общий объем системы (после добавления раствора цистеина) составлял 2 мл, затем приливали раствор Ь-цистеина. Смесь быстро перемешивали встряхиванием, ставили в темное место, и через 18 ч визуально фиксировали происходящие изменения. В опытах использовали только свежеприготовленные растворы Ь-цистеина.

Визуальная оценка гелей происходила согласно таблице прочности по пятибалльной шкале от 0 до 5 баллов, где 0 - нет геля, 5 - прочный гель, при переворачивании не деформируется (табл. 2.2) [1, 156].

Таблица 2.2.

Пятибалльная оценка прочности гелей

Балл (оценка) Визуальная характеристика полученного геля

5 Гель прочный - при переворачивании не деформируется

4 Гель образует куполообразный мениск, но не стекает

3 Гель медленно ползёт (стекает) по стенкам

2 Гель непрочный - легко срывается вниз

1 Гель очень слабый

0 Нет геля

Методика приготовления водных растворов для исследования процесса самоорганизации на основе МПК, ЦА и AgNO3 состояла в следующем.

При изучении раствора ЦА к 0.6 мл водного раствора ЦА с концентрацией 0,01 М приливали 5,0-5,4 мл воды. Затем добавляли (в зависимости от решаемой задачи) 0.1 мл 0.1 Н раствора КОН и 0.6 мл раствора нитрата серебра с концентрацией 0.01 М. Объем раствора доводили водой до 6 мл, смесь перемешивали встряхиванием и помещали в защищенное от света место. Через 20 ч фиксировали наблюдаемый эффект.

При изучении раствора МПК к 0.6 мл водного раствора МПК с концентрацией 0.01 М приливали 5 мл воды, потом приливали 0.6 мл раствора нитрата серебра с концентрацией 0.01 М, и смесь перемешивали. После этого добавлялся 0.1 Н раствора КОН до получения прозрачного раствора. Объем раствора доводили водой до 6 мл, энергично перемешивали и помещали в защищенное от света место. Через 20 ч фиксировали наблюдаемый эффект.

Методика приготовления растворов для исследования методом ДСР. Растворы ЦА/AgNO3 и МПК/AgNO3, полученные по выше описанной методике с помощью шприца пропускали через фильтр (из нитроцеллюлозы) с диаметром пор 220 нм.

2.3. Физико-химические методы исследования

2.3.1. Изучение процессов самоорганизации и гелеобразования методом УФ спектроскопии

Ультрафиолетовая спектроскопия (УФ спектроскопия) - метод оптической спектроскопии, который включает в себя исследование, получение и применение спектров испускания, поглощения и отражения в ультрафиолетовой области.

В рамках проводимых

экспериментов данный метод использовался для изучения комплексов с переносом заряда, отвечающих полосам поглощения 310 и 395 нм. Также с помощью УФ спектроскопии в СМГ было обнаружено присутствие НЧС, обусловленное плазмонным резонансом свободных электронов на поверхности этих НЧС.

УФ спектры регистрировали на спектрофотометре «Evolution Array» (фирмы «Thermo Scientific», USA) (рис. 2.1) в диапазоне от 200 до 1100 нм. Запись спектров осуществляли при комнатной температуре в кварцевых кюветах с толщиной поглощающего слоя 1 мм.

2.3.2. Изучение процессов самоорганизации методом ИК спектроскопии

Инфракрасная спектроскопия (ИК спектроскопия) - физико-химический метод, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в ИК области. С помощью метода ИК

Рис. 2.1. Спектрофотометр «Evolution Array» фирмы «Thermo Scientific».

Рис. 2.2. Фурье-ИК спектрометр "УеГ;ех-70" фирмы "Вгикег".

спектроскопии удалось изучить молекулярные превращения на начальной стадии процесса самоорганизации в ЦСР.

Для исследований с помощью данного метода важной частью эксперимента оказалась подготовка образцов. Важным этапом подготовки было превращение ЦСР и гелей твердые безводные порошки. Для этого гели подвергались мгновенному замораживанию жидким азотом, обеспечивающего мгновенную заморозку при температуре — 196 °С. После заморозки образец подвергался размораживанию до комнатной температуры. Получившиеся осадки отделялись центрифугированием и высушивались в сушильном шкафу при постоянно температуре, равной 25 °С. Из полученных высушенных порошков готовились таблетки, содержащие КВг по массе 0.720.74 г и исследуемый образец, представляющий собой на данном этапе высушенный порошок массой 0.0022-0.0024 г. Тщательное измельчение этой смеси происходило в мраморной ступке до мелкодисперсного состояния. Далее из полученного порошка с помощью пресс-формы формировалась таблетка. После записи ИК спектра, таблетку разрушали, и описанные выше действия проводили повторно для получения достоверных результатов и исключения ошибок. Исследование методом ИК спектроскопии позволило прояснить начальную стадию процесса самоорганизации, а именно формирование молекул МС при сливании растворов L-цистеина и нитрита серебра по исчезновению полосы поглощения 2551 см-1 SH-группы в исходном спектре L-цистеина.

Регистрацию ИК спектров образцов проводили с помощью Фурье-ИК спектрометра "Уег1ех-70" фирмы "Вгикег" (рис. 2.2).

2.3.3. Метод динамического светорассеяния (ДСР), как способ определения размера частиц, дзета-потенциала

Динамическое рассеяние света, или фотонная корреляционная спектроскопия, как метод используется для измерения размеров наночастиц в нанометровом диапазоне. Данный метод позволяет определить коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем анализа корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного света. Далее, из коэффициента диффузии рассчитывается радиус наночастиц.

Броуновское движение дисперсных частиц или макромолекул в жидкости приводит к флуктуациям локальной концентрации частиц. Результатом этого являются локальные неоднородности показателя преломления и соответственно - флуктуации интенсивности рассеянного света при прохождении лазерного луча через такую среду. Размер частиц (гидродинамический радиус) рассчитывается по формуле Стокса-Эйнштейна, которая связывает размер частиц с их коэффициентом диффузии и вязкостью жидкости

тл квТ

И = ——, (2.1)

3 пцйг

где D - коэффициент диффузии, кв - постоянная Больцмна, Т - абсолютная температура, ц - вязкость, <!г - гидродинамический диаметр.

Вариант метода ДСР носит название лазерной доплеровской

анемометрии (ЛДА). В частности, данная конфигурация используется для

измерения электрофоретической подвижности наночастиц, откуда

рассчитывается их дзета-потенциал (рис.2.3). Источником света является

лазер (1). Луч лазера попадает на делитель, который кроме основного луча

формирует опорный луч. Основной луч через аттенюатор (6) попадает в

измерительную кювету (2). Рассеянный на угол 17° свет проходит через

компенсирующую оптику (7). Детектор (3) посылает электрический сигнал

на обработку в цифровой процессор сигнала (4). Полученная информация в

65

компьютере (5) с помощью программного обеспечения анализатора Zetasizer Nano позволяет определить частотный спектр, из которого вычисляется электрофоретическая активность и, далее, дзета-потенциал.

Рис. 2.3. Схема измерения дзета-потенциала анализатора.

Регистрация рассеянного света на угле 173° осуществлена в анализаторе Zetasizer Nano на основе запатентованной технологии детектирования обратного рассеяния света - NIBS (Non-InvasiveBack-Scatter), что позволяет проводить измерения размеров частиц в широком диапазоне концентраций.

В ходе измерений программа по отклонению луча, падающего на образец, обрабатывает полученные данные в отношении интенсивности от времени поступления сигнала на детектор. Затем после корреляции программа выдает данные в виде автокорреляционной функции (рис. 2.4).

В зависимости от того, какого размера частицы присутствуют в растворе, такие флуктуации будут возникать на экране в программе. Затем программа проводит автокорреляцию, и результат выводит в виде автокорреляционной функции коэффициента корреляции от времени распада частиц.

Метод ДСР ценен тем, что позволяет изучать живую систему, процессы агрегации, происходящие в системе, и используется во множестве областей производственной, научной и исследовательской деятельности - везде, где

необходим контроль характеристик частиц субмикронного и нано диапазона.

66

Рис. 2.4. Схема автокорреляции измерений, полученных методом динамического светорассеяния.

Измерение интенсивности динамического и электрофоретического светорассеяния в исследуемых растворах осуществляли методом ДСР с использованием анализатора Zetasizer "Nano ZS" фирмы "Malvern" c Не-Ne лазером (633 нм) мощностью 4 мВт (рис. 2.5).

Этот прибор оснащен анализатором молекулярной массы с использованием статического рассеяния света. А также имеется возможность измерения подвижности частиц. Кроме измерения молекулярной массы, метод позволяет измерить второй вириальный коэффициент и параметр взаимодействия макромолекул.

2.3.4. Метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), как способ визуализации структуры ЦСР и СМГ

Метод ПЭМ позволил визуализировать и подтвердить сеточную природу полученных СМГ. С его помощью были получены микроснимки различного разрешения.

Структурно-морфологические характеристики образцов анализировали в Центре коллективного пользования «Просвечивающая электронная микроскопия» Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Исследования проводили с помощью электронного микроскопа <^ео 912 AB OMEGA» («Carl Zeiss», Германия), что позволило одновременно

получать электронограммы образцов. ЦСР и СМГ в виде капли наносили на стандартную медную сетку с полимерной подложкой из поливинилформаля толщиной около 100 нм и сушили в вакууме, затем проводили съемку.

Основные характеристики

микроскопа:

- Ускоряющее напряжение: 60, 80, 100, 120 кВ;

- Область освещения: 1 - 75 мкм;

- Увеличение: от х80 до х500 000;

- Разрешение изображения: 0.2 -Просвечивающий 0 34 нм-

Рис. 2.6. электронный микроскоп «LEO 912 AB OMEGA».

- Область измерения энергии неупругого рассеяния: 0-2500 эВ.

2.3.5. Исследование морфологии ЦСР и СМГ методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) в совокупности с методом элементного анализа

Важной задачей в рамках исследований являлось определение структуры СМГ посредством её визуализации методом СЭМ. СЭМ -это разновидность электронной микроскопии, в которой для зондирования поверхности сканирование сфокусированного электронов.

Рис. 2.7. Сканирующий электронный микроскоп JEOL ^М66^У.

исследуемой используется по ней

пучка

Морфологию и химический состав образцов изучали методом СЭМ с помощью прибора «JEOL JSM6610LV» («JEOL Ltd.», Япония), сопряженного с рентгеновским энергодисперсионным спектрометром (EDS, «Oxford INCA Energy 350», Великобритания) и способного проводить качественный и количественный элементный анализ. Подготовка образцов заключалась в напылении на их поверхность тонкого проводящего слоя платины и сушке в вакууме (10-4 Па).

Характеристики СЭМ:

- пространственное разрешение: 3 нм;

- ускоряющее напряжение: от 0.3 кВ до 30 кВ;

- увеличение: от х5 до х300000.

Важным ограничением методов электронной микроскопии является его статический характер, обусловленный трудностями приготовления образцов, и возможность существенных ошибок в определении структуры.

2.3.6. Исследование реологических свойств СМГ методом вибрационной вискозиметрии

Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра, при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров. Преимуществом данного метода является техническая доступность метода и относительная простота интерпретации результатов исследования.

Вибрационная вискозиметрия основана на измерении сопротивления колебательному (с постоянной частотой) движению тела в исследуемой среде. Часто определяют скорость затухания колебаний (или интенсивность поглощения энергии колебаний). Этот метод удобен для измерения вязкости

при высоких температурах и других сред, в которых колебания затухают сравнительно медленно.

Данный способ подходит для определения структурно-механических свойств гелей, в том числе СМГ. Способ определения точки гелеобразования методом вибрационной вискозиметрии заключается в том, что гелеобразующий раствор помещают в измерительные сосуды разного диаметра, инициируют процесс гелеобразования и непрерывно регистрируют механическое сопротивление раствора в сосуде, строят полученные реологические зависимости на одном графике и по графику определяют точки гелеобразования и полученные таким образом кривые [157, 158]. Зависимости механического сопротивления от независимой переменной (времени или температуры), строят на одном графике и определяют точку гелеобразования как точку расхождения указанных кривых.

I

Вязкость ЦСР и СМГ определяли с помощью

синусоидального вибровискозиметра SV10 (AND, Япония), основанного на методе камертонной вибрации (рис. 2.8).

2.3.7. Измерение кислотности ЦСР и СМГ методом рН-метрии

Измерение водородного

показателя важно для понимания процесса самоорганизации и гелеобразования. Исследование pH среды ЦСР позволило определить, в какой области значений pH происходило формирования СМГ.

Зависимость процессов гелеобразования от pH среды определяли с использованием рН-метра фирмы Mettler Toledo «SevenMulti» (рис.2.9).

Рис. 2.8. Вибрационный вискозиметр SV-10.

Использование данного прибора позволяет точно измерять величину pH в широком диапазоне значений от кислой до щелочной среды.

Особенности данного прибора:

- возможность модернизации в двухканальую систему;

- хранение в памяти до 1000 результатов в формате GLP

- множество режимов измерений;

Рис. 2.9. рН-метр фирмы Mettler ,

- графическое представление

Toledo серии «SevenMulti». _ „

калибровочной прямой;

- имеет 9 точек калибровки;

- выбор разрешения 0.001 / 0.01 / 0.1.к.

Измерение происходило при помощи комбинированного рН-электрода. Характеристики электродов:

- полимерный корпус у электродов Expert;

- стеклянный корпус у электродов Power;

- полимерный или гелевый электролит;

- датчик температуры.

2.4. Антибактериальные испытания растворов и СМГ

Преимуществом водных растворов и гидрогелей на основе L-цистеина и его производных является природное происхождение исходных компонентов, что позволяет рассматривать объекты исследования, как биоактивные агенты с перспективой применения в области медицины. Поэтому одной из важных задач является анализ бактерицидных свойств растворов и СМГ на основе L-цистеина и его производных.

Антибактериальная активность полученных систем определялась методом диффузии в агар на газоне тест культур: Bacillus subtilis 6633 -

сенная палочка, сапрофитный микроб, является крупной бактериальной клеткой, которая положительно окрашивается по грамму, растет и размножается в присутствии кислорода. Staphylococcus aureus P209 ATCC 25923 (золотистый стафилококк) - условно-патогенная бактерия, обитающая на различных объектах окружающей среды и в локусах человеческого организма. Микробы колонизируют кожный покров и слизистую оболочку внутренних органов. E. coli ATCC 25922 - кишечная палочка является представителем нормального бактериального состава (микрофлоры) человеческого желудочно-кишечного тракта, изменение количества кишечной палочки в сторону увеличения или уменьшения по сравнению с нормой расценивается как дисбактериоз первой степени. Shigella sonnei III №1908 - грамотрицательные, факультативно анаэробные, неподвижные, неспороносные бактерии, возбудитель дизентерийного шигеллёза. Salmonella typhimurium 5715 является грамотрицательной, палочковидной бактерией со жгутиками, с помощью которых этот микроорганизм передвигается. Названная бактерия - основная причина пищевого отравления (сальмонеллеза) у людей. Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853 -грамотрицательная подвижная (монотрих) палочковидная бактерия. Обитает в воде и почве, условно патогенна для человека, возбудитель нозокомиальных инфекций у человека. Candida albicans ATCC 885-653 -диплоидный грибок (молочница) - форма дрожжеподобных грибов).

Исследуемые образцы помещали микропипеткой объемом 20 мкл на засеянную тестовой культурой микроорганизмов поверхность оптимальной питательной среды и культивировали при 370С в течение суток. Антибактериальную активность материала выражали в мм диаметра задержки роста.

Бактериологические испытания образцов проводились на базе Тверского медицинского государственного университета.

2.5. МТТ тест растворов и СМГ

Клетки рака молочной железы человека MCF-7 и клетки нормального эмбрионального легкого человека WI-38, полученные из Американской коллекции тканей и клеток, культивировали в 96-луночных планшетах при 37°С в атмосфере 5% СО2 в питательной среде DMEM с добавлением L-глутамина (2 мМ), антибиотиков (100 ЕД/мл пенициллина и 100 мг/мл стрептомицина) и 10% фетальной бычьей сыворотки (ФБС). Клетки инкубировали в сывороточной среде с тестируемыми соединениями в различных концентрациях в течение 48 ч и 24 ч (72 ч) для клеток MCF-7 и Wi-38 соответственно. В каждую лунку добавляли фосфатно-солевой буфер (ФБС) — (10 мл), содержащий МТТ (5 мг/мл), и клетки инкубировали при 37°С в течение 4 часов. Культуральную среду удаляли, в каждую лунку добавляли 100 мл ДМСО, встряхивали в течение 20 мин, затем измеряли оптическое поглощение в каждой лунке при 570 нм на приборе Multiskan Spectrum Microplate Reader (Thermo Scientific, США). Показания теста МТТ усредняли по трем независимым определениям. Показания МТТ-теста в отсутствие испытуемых соединений принимали за 100%.

Анализ клеточного цикла MCF-7 методом проточной цитофлуориметрии. Клетки MCF-7 инкубировали в 6-луночных планшетах в течение 24 ч в среде с добавлением 10% ФБС и тестируемых соединений в различных концентрациях, а затем последовательно обрабатывали раствором Версена (2 мл) и 0,25% раствор трипсина; после выдержки при 37оС в течение 1 минуты их суспендировали в 2 мл среды. Клетки центрифугировали при 1500 об/мин в течение 3 мин, промывали PBS (2-3 мл), обрабатывали 70% EtOH (0.5 мл) и хранили при -20 1C. Перед экспериментом клетки промывали ФБС (3 мл) и суспендировали в 1 мл ФБС; затем в 200 мл РНК-азы А (200 мг мл -1), после инкубации при 370C в течение 30 мин в 100 мл йодистого пропидия (1 мг мл -1), после чего клетки

выдерживали при 20°С в течение 10 мин. Анализ проводили на проточном цитофлуориметре Beckmann MoFLO XDP в режиме FL3.

Испытания проводились на базе научно-исследовательского института биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича, Москва.

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССЫ САМООРГАНИЗАЦИИ И ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ НА ОСНОВЕ L-ЦИСТЕИНА И AgNO2

В работе нами впервые обнаружено явление гелеобразования в водных растворах на основе аминокислоты L-цистеин и AgNO2. Данный процесс реализуется при строгом соблюдении условий: определённые концентрации растворенных компонентов и молярные соотношения исходных веществ. Благодаря многочисленным экспериментам с использованием широкого спектра физико-химических методов, удалось выявить условия и закономерности процесса гелеобразования и исследовать полученные гидрогели, как с научной, так и с практической точки зрения.

3.1. Установление концентрационного диапазона гелеобразования в ЦСР

Установлено, что в результате смешивания водных растворов L-цистеина и AgNO2 при концентрациях растворенных компонентов 0.01, 0.025 и 0.05 М, а также молярных соотношениях L-цистеин/AgNO2 1.00/1.00 и 1.00/1.25, в начальный момент образуется слегка мутный раствор, который при стоянии желирует и приобретает желтоватую окраску. Скорость формирования гелей зависит от концентрации компонентов, их соотношения, температуры и времени стояния. Все образцы гелей устойчивы во времени и проявляют тиксотропные свойства, то есть способность к многократному восстановлению после механического разрушения.

На процесс перехода раствора в состояние геля влияют природа веществ, температура, время процесса, форма частиц, рН среды и др. Важнейшими условиями, влияющими на образование супрамолекулярных гидрогелей на основе водных растворов L-цистеина и AgNO2, являются молярное соотношение исходных компонентов в ЦСР и концентрационный режим. Вязкость образуемых гелей, тиксотропные свойства, стабильность, дисперсность напрямую зависят от концентрации содержащихся в ЦСР

веществ. В ходе исследований выяснилось, что концентрация дисперсной фазы оказывает существенное влияние на формирование НЧС и их размеры.

Для нахождения молярных соотношений, при которых возможно гелеобразование была исследована линейка образцов - системы с молярным соотношением L-цистеин/AgNO2 от 1.00/0.70 до 1.00/1.75 (табл.2.1). Изучение процесса самоорганизации в низкоконцентрированных водных растворах L-цистеина и AgNO2 осуществляли в концентрационном диапазоне дисперсной фазы от 0.001 до 0.05 М. Было установлено, что образование устойчивых гидрогелей в растворах с разной концентрацией (0.01, 0.025, 0.05 М) происходит при эквимолярном соотношении и соотношении незначительного избытка соли 1.00/1.25. ЦСР на основе L-цистеина и нитрита серебра в отличие от ЦСР, имеющих в составе другие соли серебра [1,50,141-147, 151, 153-155] формируют СМГ без введения электролита.

Визуальная характеристика полученных образцов ЦСР показала, что окраска варьируется от практически бесцветных до насыщенно-жёлтых и коричневых тонов в зависимости от концентрации и молярных соотношений исходных компонентов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Фотографии образцов ЦСР на основе L-цистеина и AgNO2 сразу после смешивания исходных компонентов при концентрациях 0.01М и разных молярных соотношениях компонентов от 1.00/0.80 до 1.00/1.60.

Эксперимент показал, что повышение содержания AgNO2 приводит к усилению интенсивности окраски от светло-жёлтых до насыщенно-жёлтых. Это явление, как будет показано ниже, связано с увеличением концентрации и размера образующихся НЧС и поэтому цвет ЦСР становится насыщеннее.

Установлено, что наиболее стабильный и устойчивый результат перехода из ЦСР в состояние геля показали образцы №3 и №4, а именно процесс перехода в гель при молярных соотношениях L-цистеин/AgNO2 1.00/1.00 и 1.00/1.25 (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Область гелеобразования ЦСР на основе L-цистеина и AgNO2 для растворов разных концентрация и при разных молярных соотношениях исходных компонентов (табл. 2.1).

Сразу при смешивании L-цистеина с солью серебра можно наблюдать образование мутных растворов (рис. 3.3а). Через некоторое время (примерно 1 час при 25°С) растворы становятся желтоватыми и прозрачными (рис. 3.3б). Наконец, через 3 часа после начала реакции наблюдаются желто-коричневые прозрачные гидрогели (рис. 3.3в).

При изучении водных растворов разных концентраций был установлен концентрационный диапазон гелеобразования. Установлено, что растворы при концентрации исходных компонентов 0.001 М, независимо от молярного соотношения исходных компонентов, оказались прозрачными, и не способными к образованию гидрогелей и НЧС, что подтверждает визуальная оценка образцов (рис. 3.4а) и последующие исследования методом УФ спектроскопии.

'три

Рис. 3.3. Эволюция водных растворов в процессе самоорганизации для системы на основе L-цистеина и AgNO2. Молярное соотношение 1.00/1.00, концентрация исходных компонентов 0.01 М.

а б в

Рис. 3.4. Фотографии растворов и гелей на основе L-цистеина и AgNO2 при концентрации исходных компонентов 0.001 (а), 0.01 (1) и 0.025 (2) (б) и 0.05 М (в) при молярных соотношениях 1.00/1.25.

При концентрации дисперсной фазы 0.01 М и молярных соотношениях L-цистеин/AgNO2 1.00/1.00 и 1.00/1.25 в ЦСР образуются тиксотропные, окрашенные в желтый цвет гидрогели (рис. 3.4б, образец 1). Через 5 ч после смешивания из результирующего раствора формировался гидрогель, текучесть образца резко снижалась. Период полного созревания гидрогелей в среднем составлял 24 часа.

При концентрации же исходных компонентов 0.025 М в ЦСР и молярных соотношениях компонентов 1.00/1.00 и 1.00/1.25 формировались

прочные гидрогели коричневого цвета (рис. 3.4б, образец 2), оцениваемые по шкале прочности в 5 баллов, т.е. при переворачивании пробирки текучесть гелей отсутствовала. Установлено, что при концентрации дисперсной фазы 0.025 М сразу после смешивания исходных компонентов при молярных соотношениях 1.00/1.00 и 1.00/1.25 ЦСР был бесцветным и слегка мутноватым, выпадения осадка при этом не наблюдалось, независимо от молярных соотношений компонентов. В течение первых 20 минут после смешивания мутность раствора исчезала полностью, он становился прозрачным, но приобретал слегка желтоватую окраску.

Через 2 часа наблюдения было отмечено появление мелких пузырьков газа в растворе и усиление окраски раствора до ярко-желтой. Через 3 часа после смешивания из результирующего раствора формировался гидрогель, текучесть образца резко снижалась. Гидрогели в обоих случаях обладали тиксотропными свойствами, поскольку после встряхивания виалы они переходили в состояние раствора, а через 24 часа нахождения раствора в состоянии покоя повторно образовывался гидрогель. При этом следует отметить, что для восстановления геля после механического воздействия на него при концентрации раствора 0.025 М потребовалось большее время нахождения в покое, чем для раствора с концентрацией 0.01 М. Кроме того, вязкость повторно образующихся гелей для концентрации раствора 0.025 М, по сравнению с гелями при концентрации 0.01 М, оказалась ниже (по шкале прочности составляла лишь 3 балла). То есть, тиксотропные свойства напрямую зависят от содержания дисперсной фазы вещества.

Нитрит серебра имеет ограниченную растворимость в воде [159], поэтому конечное значение концентрации исходных компонентов в ЦСР, при котором система оказалась способна к формированию геля, составляло 0.05 М. Для ЦСР с такой концентрацией исходных веществ в растворе, как и для ЦСР с концентрациями 0.01 и 0.025 М, в течение первых 24-х часов происходило формирование прочного гидрогеля жёлтого цвета (рис. 3.4в,

образец 1). После 48 часов нахождения образца в покое, наблюдалось обесцвечивание геля и выпадение осадка тёмно-коричневого цвета (рис 3.3в, образец 2). Вследствие поверхностного натяжения при переворачивании виалы происходило формирование мениска, наличие которого позволяет удерживать НЧС, содержащиеся в осадке. При лёгком встряхивании гель переходил в состояние раствора и осадок равномерно распределялся по объему образца (рис. 3.4в, образец 3), а через 15 минут нахождения раствора в покое наблюдалось повторное формирование прозрачного бесцветного геля с осадком как в первом случае (рис. 3.4в, образец 2).

Таким образом, можно предположить, что при механическом разрушении пространственной сетки СМГ происходит разрыв межмолекулярных связей между частицами дисперсной фазы, а также разрушение и самих супрамолекулярных цепей. Восстановление же пространственной сетки геля обусловлено возобновлением этих меж и внутримолекулярных контактов благодаря тепловому броуновскому движению частиц. По-видимому, при увеличении концентрации дисперсной фазы количество растворителя (воды), во-первых, оказывается недостаточно для того, чтобы обеспечить броуновское движение частиц в полной мере, а, во-вторых, НЧС из МС выпадает в осадок.

3.2. Кинетические исследования изменения вязкости ЦСР в процессе гелеобразования

При концентрации исходных компонентов 0.01 М и молярных соотношениях компонентов 1.00/1.00 формировались прочные гидрогели жёлтого цвета, оцениваемые по шкале прочности в 4 балла, т.е. при переворачивании пробирки гель может лишь незначительно деформироваться.

Исследование кинетики вязкостных свойств ЦСР позволило

определить динамику гелеобразования и зависимость значения вязкости от

80

молярных соотношений и концентрации исходных веществ. Реологические испытания гелей, проведённые с помощью лепесткового вискозиметра, показали, что вязкость ЦСР монотонно растет во времени с момента сливания растворов (рис. 3.5а).

О 2 4 6 8 10 12 0 30 60 90 120 150 180

Время,мин Время, мин

а б

Рис. 3.5. Изменение вязкости систем L-цистеин/AgNO2 при концентрации 0.01 М с разным соотношением исходных компонентов (1) 1.00/1.00, (2) 1.00/1.25 после сливания растворов (а) и в течение дальнейшего времени наблюдения (б).

При дальнейшем наблюдении в течение 150 минут продолжается постепенный рост значений вязкости, с выходом на постоянное значение (рис. 3.5б). Величина вязкости гидрогеля при молярных соотношениях 1.00/1.00 немногим выше, чем у гидрогеля при соотношениях 1.00/1.25. Показания вязкости, отвечающие гель-состоянию, начинаются в диапазоне значений от 3.5 и выше. При значениях вязкости ниже этой границы образцы находятся в пограничном состоянии или в состоянии раствора. Значения вязкости в начальный момент ЦСР после сливания двух исходных растворов были близки к показателю вязкости воды (рис. 3.5).

В результате механического воздействия гели подвергаются быстрому разрушению, тем самым значения вязкости снижаются практически до исходных значений для ЦСР, а сами гидрогели при этом переходят в

состояние раствора. Находясь в состоянии покоя, растворы снова, через 60100 мин, образовывали гель, существенно увеличивая вязкость.

При концентрациях раствора 0.025 и 0.05 М формировались прочные гидрогели насыщенного жёлтого цвета, оцениваемые по шкале прочности в 5 баллов, т.е. при переворачивании пробирки текучесть гелей отсутствовала.

Как показали реологические исследования увеличение концентрации исходных веществ, приводит к росту вязкости системы, что согласуется с визуальной оценкой прочности гелей по балльной шкале. При этом гели, формирующиеся при концентрациях 0.025 и 0.05 М, показывали более высокие значения вязкости (рис. 3.6) по сравнению с концентрацией 0.01 М (рис. 3.5б).

9 8 7

& 6 в 5

о

л д и 4 о

и 3

го В!

« 2 1 0

0 30 60 90 120 150 180 Время, мин

Рис. 3.6. Изменение вязкости систем L-цистеин/AgNO2 при концентрации 0.025 М (1) и 0.05 М (2) при соотношении исходных компонентов 1.00/1.00 с течением времени.

Однако вязкость повторно образующихся гелей после их разрушения и

нахождения в состоянии покоя для концентрации раствора 0.025 М, по

сравнению с гелями при концентрации 0.01 М, оказалась ниже по шкале

прочности и составляла лишь 3 балла. При этом гели, полученные при

концентрации раствора 0.05 М, после второго цикла разрушения оказались

неспособны к переходу в гель-состояние. Основная часть жидкости, включенная в каркас геля, теряет свою подвижность, ввиду большей концентрации дисперсной фазы.

Структурирование ЦСР при концентрации 0.01 М происходит быстрее. Для ЦСР при больших концентрациях скорость гелеобразования снижается, что является одной из причин исчезновения явления тиксотропии для таких гелей.

3.3. Изучение молекулярных превращений на начальной стадии процесса самоорганизации в ЦСР с помощью метода ИК спектроскопии

Для более детального понимания процессов самоорганизации в ЦСР на молекулярном уровне использовался метод ИК спектроскопии. На рис. 3.7 представлены ИК спектры поглощения L-цистеина и высушенного ЦСР.

8 0 !

г г п 1Л л N

у(8Н) о — Г- С» N

«Л 1 8 * 8 1 Л . О /ЛА 1 л «Л й 3 2

2 / п 1 \ о 1 Т о •» 1 » ^ л о Н * 5й" « 9 £ Я I 2 2 § «о 1 *т

му^Щ

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Волновое число, см'1

Рис. 3.7. ИК спектры поглощения порошка L-цистеина (1), и высушенного ЦСР (2) в диапазоне 3750- 500 см-1. Концентрация исходных компонентов 0.01 М, молярные соотношения 1.00/1.00.

ИК спектральные исследования показали, что взаимодействие L-цистеина и AgNO2 в водном растворе происходит по тиольной группе ^Н). Об этом свидетельствует отсутствие в ИК спектрах высушенного ЦСР полосы поглощения валентных колебаний SH-группы с максимумом 2552 см1. Наблюдаемый экспериментальный факт характеризует образование молекул МС при сливании водных растворов L-цистеина и AgNO2, что наблюдалось ранее при использовании других солей серебра (нитрата и ацетата серебра) [1, 50, 141-147, 151, 153-155], по формуле:

Ag+ + Ш-СН2-СН(Ж3 )+СОО - ^ Ag-S--CH2-CH(NHз )+СОО - + Н+. (3.1)

В водном растворе молекула МС представляет цвиттер-ион. Следует отметить, что МС наблюдался и в СМГ. Наряду с образованием МС также обнаружено подкисление раствора. Кроме исчезновения полосы поглощения, ответственной за валентные колебания v(SH), существенные изменения происходили в области валентных и деформационных колебаний ОН-, ^ЫН-, СН- и SH-группировок молекулы цистеина (рис. 3.7), но отнесение этих полос и интерпретация наблюдаемых изменений требует дальнейших более детальных исследований.

Данные ИК спектроскопии подтверждают предположение, что одним из этапов процесса самоорганизации при смешивании водных растворов L-цистеина и AgNO2 является образование МС.

3.4. Исследование структурных перестроек в ЦСР и геле с помощью метода УФ спектроскопии

Анализ УФ спектров ЦСР показывает, что, начиная с момента сливания двух водных растворов исходных компонентов происходят существенные изменения (рис. 3.8). Установлено, что трансформация спектров наблюдается в течение нескольких часов. Для ЦСР при молярных соотношениях 1.00/1.00 в первые минуты с начала эксперимента присутствуют полосы поглощения с максимумами 285 и 357 нм (рис. 3.8, спектр 1). Полоса поглощения при 357

84

нм соответствует электронному переходу п-п* в гидратированном N0^ [160]. Известно, что Ag+ может образовывать с различными тиолами полимерные комплексы структуры типа Ag-S(R)—Ag-S(R )—Ag-S(R)—, где R = Ш-СН2-СН(КН3 )+СОО " [161-163]. В таких комплексах полоса поглощения при 285 нм отвечает за переход с переносом заряда для связей лиганд-металл-металл.

-;-(-,-1-•-1-I-:

250 300 350 400 450

Длина волны, НМ

Рис. 3.8. Электронные спектры поглощения водной системы L-цистеинМ^Ы02 1.0/1.0, во времени: 1 - в начальный момент, 2 - через 20 мин, 3 - через 3 часа.

Через 20 минут после начала эксперимента наблюдалось полное исчезновение полосы поглощения при 357 нм (рис. 3.8, спектр 2). Это можно объяснить тем, что в присутствии первичных аминокислот в кислых средах N^"(N0+) может реагировать с ними по общей схеме (реакция диазотирования)

R-NHз+ + N02" = R-0H + N2 + Н2О. (3.2)

Наконец, через 3 часа можно увидеть появление новых полос поглощения при 315 и 395 нм (рис. 3.8, спектр 3). Возникновение новых полос поглощения и рост их интенсивности во времени наблюдается для некоторых супрамолекулярных цепочечных структур, образованных чередованием донорно-акцепторных связей между атомами серебра и серы. Например, ранее [50,74,141-147] такой эффект наблюдался при созревании

ЦСР на основе цистеина и нитрата серебра (AgNOз) при формировании супрамолекулярных цепей из цвиттер-ионов МС типа

(3.3)

Таким образом, появление новых полос поглощения (315 и 395 нм) в УФ спектре ЦСР обусловлено образованием комплексов с переносом заряда в супрамолекулярных цепях из молекул МС [149,162-165].

При изучении ЦСР и гелей методом УФ спектроскопии важным моментом являлось выяснение особенностей структурных перестроек, происходящих в растворе в зависимости от концентрации исходных компонентов. На рис. 3.9а, представлены УФ спектры ЦСР и гидрогелей при соотношении исходных компонентов L-цистеин/AgNO2 равном 1.00/1.00 и их различной концентрации: 0.001 (1), 0.01 (2) и 0.025 М (3).

X, им X, нм

а б

Рис. 3.9. УФ спектры поглощения ЦСР и гелей для образцов с концентрацией исходных компонентов 0.001 М (1), 0.01 М (2) и 0.025 М (3) при молярных соотношениях L-цистеин/AgNO2 1.00/1.00 (а) и для бесцветного геля (надосадочная жидкость - рис. 3.3 в, образец 2) 0.05 М (б). Измерения проведены через 1 сутки после приготовления ЦСР.

Из рис. 3.9а (спектры 2 и 3) видно, что при концентрации 0.01 и 0.025 М в УФ спектре геля появляются полосы поглощения на длине волны 400 нм и выше, обусловленные плазмонным резонансом свободных электронов на

поверхности образовавшихся НЧС [166,167]. Отметим, что гель при этом окрашивается в желтый цвет при концентрации 0.01 М и в коричневый цвет при концентрации 0.025 М. В УФ спектре с ростом концентрации нитрита серебра растет интенсивность полосы поглощения плазмонного резонанса и сдвиг полосы в сторону больших длин волн (от 400 до 413 нм), что свидетельствует о росте размера НЧС [168,169]. При концентрации ЦСР 0.001 М раствор бесцветен и НЧС в нем не наблюдаются (рис. 3^, спектр 1).

На рис. 3.9б представлен УФ спектр надосадочной бесцветной жидкости (см. рис. 3.4в, образец 2). Легко видеть, что в УФ спектре жидкости отсутствуют полосы поглощения, связанные с НЧС.

В ЦСР с разным молярным соотношением исходных компонентов также обнаружено существенное изменение характера УФ спектров поглощения. Для этого были выбраны растворы одной концентрации (0.01 М) при разных молярных соотношениях исходных компонентов (табл. 2.1). С ростом содержания AgNO2 в растворе наблюдалось увеличение интенсивности полосы поглощения, отвечающей плазмонному резонансу свободных электронов на поверхности НЧС, а также ее сдвиг в сторону больших длин волн от 390 до 420 нм (рис. 3.10).

1'51 \ \\\\ 1 ,о -I \

<

0,5

0,0-1-,-,-----,

250 300 350 400 450 500

Длина волны,нм

Рис. 3.10. УФ спектры ЦСР на основе L-цистеин/AgNO2 при различных молярных соотношениях: для систем №1-№8 (табл. 2.1).

Наблюдаемые изменения в УФ спектре свидетельствуют о росте концентрации и размера образующихся НЧС с увеличением концентрации соли серебра в растворе.

Итак, поскольку нитрит серебра является сильным окислителем, процесс гелеобразования в ЦСР происходит без введения соли-инициатора, как это имело место в случае с нитратом серебра [1, 49, 141-147] или ацетатом серебра [52,151]. Наряду с процессом гелеобразования в ЦСР происходит формирование НЧС, а сами супрамолекулярные цепи при этом разрушаются. И чем выше концентрация нитрита серебра в растворе, тем интенсивней протекают эти структурные перестройки. Процесс формирования НЧС в системе сопровождается окрашиванием образца сначала в желтый, а затем коричневый цвет.

3.5. Изучение строения и свойств ЦСР методом ДСР, определение дзета-потенциала и электропроводности

Методом ДСР проводилось изучение распределение рассеивающих частиц по размерам в ЦСР для образцов с молярным соотношением компонентов 1.00/1.00 и их растущей общей концентрацией от 0.01 до 0.05 М (рис. 3.11).

Полученные данные демонстрируют мономодальное распределение частиц по размерам во всех случаях. Средний размер рассеивающих частиц колеблется в диапазоне от 58 до 84 нм. С ростом концентрации дисперсной фазы в растворе наблюдается тенденция к небольшому увеличению размеров частиц в процессе самоорганизации. Результаты эксперимента показали, что формирование частиц происходит достаточно быстро, и их размеры остаются практически неизменными в течение достаточно продолжительного времени наблюдения.

Рис. 3.11. Распределения рассеивающих частиц по размерам для систем с молярным соотношением 1.00/1.00 и концентрацией исходных компонентов 0.01 (1), 0.025 (2) и 0.05М (3) через 85 мин после смешивания.

Исследование ЦСР одной концентрации 0.01 М, но с разным молярным соотношением компонентов, показывает, в этих растворах присутствуют частицы разного размера (рис. 3.12).

Для ЦСР с молярным соотношением компонентов 1.00/1.00 (рис. 3.12а) содержатся частицы со средним размером меньшего диаметра (50 нм), чем в растворе с избытком серебра 1.00/1.25 (рис. 3.12б - 70 нм). Размер частиц в

Рис. 3.12. Распределения частиц по размерам в зависимости от времени для ЦСР при соотношениях 1.0/1.0 (а) и 1.00/1.25 (б): 1 - через 3 мин, 2 - через 85 мин.